автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электрофизические свойства и природв локализованных состояний в гетеропереходах на основе а-Si:H и его сплавов

На правах рукописи Экз.№_

РГВ од

ел

■ с

БИРЮКОВ АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРИРОДА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ В ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ НА ОСНОВЕ а-БЖ И ЕГО СПЛАВОВ

(05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2000

т

Работа выполнена на кафедре материаловедения и физической химии в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Будапш Б.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Раскин A.A.

доктор физико-математических наук Казанский АХ.

Ведущая организация - АО ((Протон».

Защита состоится «_»_ 2000 г.

на заседании диссертационного Совета Д.05Э.02.03

в Московском государственном институте электронной техники (ТУ) по адресу: 103498 Москва, К-498, г. Зеленоград, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.ф.-м.н., профессор

Будагян Б.Г.

типi^-AXir с п +

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время неупорядоченные полупроводники, в частности, аморфный гидрогенизированный кремний и сплавы на его основе, находят широкое применение в технологии твердотельной электроники. Связано это с уникальной совокупностью свойств аморфных сплавов, изменяемых в широких пределах, за счет варьирования технологических режимов осаждения. Технологически а-БШ можно получать в виде многослойных структур, наносимых на любую поверхность большой площади. Стоимость изготовления а-БкН относительно невелика. Технология формирования аморфного кремния хорошо совместима с обычной кремниевой технологией производства интегральных схем, что является основой для создания структур и приборов, совмещающих аморфную и кристаллическую форму кремния.

Применение гетеропереходов аморфный/кристаллический кремний (а-БкН/с-позволяет сочетать высокую эффективность с-Б1 с низкой стоимость получения а-вь'Н, что предоставляет широкие возможности для создания дешевых высокоэффективных элементов солнечных батарей, гетеропереходных биполярных транзисторов и пространственных активных матриц на их основе для устройств ввода и вывода графической и видео информации, датчиков т-изл учения, фотодатчиков н мишеней ви-диконов в трубках изображения (1]. Однако, практическая реализация таких гетерост-руктур затруднена из-за отсутствия достаточной информации о микроструктуре и энергетических состояниях, формирующихся на границе раздела между аморфным и кристаллическим полупроводником и, соответственно, способах управления ими в процессе формирования приборов.

Недостаток знаний о свойствах границы раздела частично связан с недоступностью ее структуры для большинства экспериментальных методов исследований, и невозможностью разделения вклада объемных и поверхностных энергетических состояний в характеристики структуры из-за достаточно высокой плотности локализованных состояний в щели подвижности аморфного полупроводника. При существовании множества методов исследования аморфных пленок и монокрнсталлического крем-

4 ' '

ния, до сих пор отсутствует достоверная методика, которая могла бы не только качественно, но и количественно охарактеризовать свойства гетероструктур на юс основе.

Немаловажную роль для широкого использования приборов на основе гетероструктур а-БкИ/с-Б! играет также экономический фактор. С точки зрения технологии, снижение затрат на получение материала связывают с необходимостью увеличения его скорости роста, что обычно приводит к ухудшению электронных свойств. В связи с этим, совмещение высокой скорости роста аморфного кремния и удовлетворительного качества а-БШ и структур на его основе представляет важную практическую задачу.

Таким образом, актуальной направлением современной твердотельной электроники является разработка методик и исследования природы энергетических состояний на границе раздела гетеропереходов и в объеме аморфного полупроводника с целью решени* проблемы создания аморфных гетероструктур с заданными свойствами.

Цель работы,

Разработка методики и выявление природа локализованных состояний в гетероструктур ах аморфный/кристаллический кремний на основе а-8Ш и его сплавов с германием и углеродом, а также влияния этих состояний на энергетическую диаграмму гетеропереходов, сформированных с высокой скоростью роста методом низкочастотного (55 кГц) плазмо-химического осаждения.

Научная новизна.

Разработана методика, позволяющая эффективно разделять локализованные состояния в объеме аморфных полупроводников и на границе раздела, а также определять действительную величину контактной разности потенциалов в гетерострукту-рах аморфный/кристаллический полупроводник на основе а-Бг.Н и сплавов а-510е:Н,

С помощью разработанной методики проведено исследование гетероструктур а-Н|:Н'с-51. впервые сформированных методом низкочастотного (55 кГц) плазмо-химичсскош осаждения (114 ПХО) из газовой фазы, и установлена природа объемных

и поверхностных состояний. В структурно однородных пленках локализованные состояния в щели подвижности а-вШ обусловлены дефектами в виде оборванных связей кремния, а при высокой степени структурной разупорядоченности аморфных пленок • полигцдридными конфигурациями атомов кремния и водорода. Установлено, что плотность состояний на границе раздела гетеропереходов а-8!:Н/с-81 контролируется теми же технологическими факторами, что и объемные состояния в а-Зг.Н.

Впервые исследованы гетероструктуры а-8Юе:НЛ:-81, полученные высокоскоростным методом НЧ ПХО и обнаружено, что введение германия в а-БШ приводит к увеличению плотности локализованных состояний, природа которых обусловлена дефектами в виде оборванных связей ве. При постоянном содержании германия в сплаве, плотность объемных состояний контролируется структурной разупорядочен-ностью, вносимой полигидридными конфигурациями кремния. Состояния на границе раздела гетеропереходов а-81Се:Н/с-8|, также, как и в а-Б^Н/с-в!, формируются со стороны а-810е:Н и их природа обусловлена исключительно оборванными связями Ое, расположенными в приграничной области гетероперехода.

Впервые исследованы гетероструктуры а^СН/с-в!, сформированные методом НЧ ПХО и установлено, что природа объемных состояний в а-8|С:Н и на границе раздела а-81С:Н/с-81, обусловлена дефектами в виде оборванных связей 81. Плотносгь локализованных состояний уменьшаете* с уменьшением концентрации связей БШ и образованием более прочных связей с атомами С. При постоянном содержании С и изменении температуры подложки плотность объемных и поверхностных состояний, уменьшается с увеличением концентрации связей 8!Н, что определяется вероятностью пассивации оборванных связей водородом. Использование модулированного режима горения плазмы не оказывает влияния на плотность поверхностных состояний, но уменьшает величину объемных состояний, что связано с формированием более упорядоченной микроструктуры материала.

Установлено, что увеличение плотности состояний на границе раздела гегеро-струюур а-БЬИ/с-в!, а-8Юе:Н/с-81 и а-8'1С:Н/с-81 приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и к изменению величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны. При этом, для гетероструетур на основе а-ЯгН и а-5|С:!1 с увеличением плотности поверхностных состояний разрывы зон уменьшаются. В тероперехо-дах а-8Юе:11/с-81 разрывы энергетических зон с увеличением заряда увеличиваются.

что связано с большей величиной электронного сродства в а-вЮе.Н и меньшей шириной щели подвижности по сравнению с а-вШ и а-вЮ.Н.

Практическая значимость.

Разработана уникальная методика исследования электрофизических свойств гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник, позволяющая определить плотность состояний на границе раздела гетероперехода и с ее учетом получить действительные значения плотности локализованных состояний в щели подвижности аморфного материала и контактной разности потенциалов. Данная методика может найти применение в отраслевых и научно-исследовательских лабораториях при изучении физических свойств структур на основе различных неупорядоченных полупроводников.

С использованием разработанной методики оптимизирована технология получения гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник на основе а-8г.Н и его сплавов с Се и С, полученных методом НЧ ПХО при повышенных скоростях роста, и продемонстрирована перспективность данного высокоскоростного метода для формирования приборов твердотельной электроники.

Выводы и рекомендации, сделанные в диссертационной работе Бирюкова А. В. в части исследования электрофизических свойств и оптимизации технологии формирования гетероструктур на основе аморфного гвдрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом использованы в серии НИР по созданию фоточувствительных структур. Результаты работы могут быть использованы при создании элементов солнечных батарей и датчиков селективного излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Методика расчета ВФХ гетероструктур, позволяющая эффективно разделять локализованные состояния в объеме аморфных полупроводников и на границе раздела, а также определять действительную величину контактной разности потенциалов в гхперосфуктурах аморфный/кристаллический полупроводник на основе а-5к! I и сплавов а-КЮй:Н, а-£КГ:Н. В ее основе лежит объединенное решение двух раынчных подходов к расчету- экспериментальных зависимостей емкости и квад-

para ширины обедненной области с учетом плотности состояний на границе раздела, имеющей форму распределения Гаусса с максимумом, лежащем на 0,45 эВ ниже дна зоны проводимости.

2, Плотность локализованных состояний в середине щели подвижности аморфного материала, определенная с помощью метода ВФХ, контролируется дефектами, вносимыми наиболее слабосвязанными с водородом атомами: оборванными связями Si в гетероструктурах на основе a-Si:H и a-SiC:H и оборванными связями Ge в гетероструктурах на основе a-SiGe:H. При этом, для гетероструктур на основе а-Si:H и a-SiGe:H, сформированных с высокой степенью структурной разупорядо-ченности аморфного полупроводника, плотность локализованных состояний контролируется полигндрндными конфигурациями атомов кремния и слабо зависит от концентрации дефектов.

3. Поверхностные состояния в гетероструктурах аморфный/кристаллический полупроводник формируются со стороны аморфного материала, а их природа обусловлена теми же факторами, что и состояния в объеме аморфного полупроводника. Увеличение плотности состояний на границе раздела гетероструктур a-Si'.H/c-Si, a-SiGe:H/c-Si и a-SiC:H/c-Si приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и к изменению величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны. При этом, в гетероструктурах на основе a-Si:H и a-SiC:H с увеличением плотности поверхностных состояний разрывы зон уменьшаются. В гетеропереходах а-SiGe:H/c-Si разрывы энергетических зон увеличиваются с увеличением плотности состояний на границе раздела, что связано с большей величиной электронного сродства в a-SiGe:H и меньшей шириной щели подвижности по сравнению с а-Si:H и a-SiC:H.

Апробация работы.

По результатам исследований были сделаны доклады на 17 Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Будапешт, 1997, Конференции международного исследовательского общества MRS. Сан-Франциско, 1997г., Международной школе-конференции по физическим проблемам в материаловедении полупроводников, Черновцы, 1997, 1999 гг.; X Международном Симпозиуме "Тонкие пленки в электронике", Ярославль, 1999, Всероссийском симпо-

зиуме "Аморфные и микрокристаллические полупроводники",

Санкт-Петербург, 1998г, XI всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления" ("Дат-чик-99"), Крым, 1999г, Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" МИЭТ, Зеленоград, 1997г., Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000», Межвузовской научно-технической конференции "Электроника и информатика" МИЭТ, Зеленоград 1997-2000 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в ведущих зарубежных изданиях, а также тезисы докладов на российских и международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 28 таблиц, 101 рисунок и список литературы в количестве 163 наименований.

Содержание работы.

Во введении рассматривается актуальность темы, сформулирована основная цель работы. Представлена общая характеристика диссертации.

В первой главе рассмотрены физические свойства аморфного гидрогенизиро-ванного кремния, модели энергетических состояний в неупорядоченных полупроводниках, различные методы их определения, а также применение приборов и структур на основе а-БШ. Анализ литературных данных показал актуальность проблемы достоверного определения таких характеристик структур, как плотность состояний на границе раздела и контактная разность потенциалов, позволяющие построить энергетический профиль гетероперехода. Сформулированы общие подходы к исследованию параметров пленок а-йпН и гетероструктур на его основе.

Содержание второй главы носвящено технологии получения аморфного кремния, методам исследования микроструктуры и состава пленок, энергетического распределения плотносгн состояний и дефектов в аморфных полупроводниках и рассмотрена

блок-схема и принцип работы стенда для измерения ВФХ, разработанного автором для проведения анализа электрофизических характеристик гетероструктур.

Показано, что основными особенностями технологического метода являются высокий поток радикалов, ионная обработка поверхности и участие макроскопических частиц порошка в процессе роста, которые в совокупности определяют закономерности формирования микроструктуры и энергетического спектра носителей заряда в аморфных полупроводниках и гетероструктур ах на их основе.

Для анализа структуры и состава пленок выбраны методы вторично-ионная масс спектрометрия (ВИМС), метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР), рентгеновский микроэондовый анализ (РМА), ИК-спектроскопия и определение оптических констант тонких пленок по спектрам оптического пропускания. Показаны возможности данных методов для выявления атомного состава пленок и локальной конфигурации связей, а талоке степени структурной разупорядоченносги аморфных полупроводников. Для исследования энергетического распределения плотности состояний и концентрации дефектов в аморфных полупроводниках выбраны: метод постоянною фототока (МПФ) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

В третьей главе представлены результаты исследования ВФХ гетероструктур а-Si:H/c-Si при частоте переменного сигнала 1 МГц. Зависимости емкости C(V) н квадрата ширины обедненной области в c-Si W|3(V) (где W|3-{(eoes/CHesL/eA)]J) or т~ пряжения смещения (соответственно рис, I и 2) показали применимость модели резкого гетероперехода J2) и возможность применения к ним анализа Магсууры и Оку-ши (МО) {11 и Сасаки, Футасицу и Сасаки (СФС). При сравнении результатов расчета ВФХ гетероструктур a-Si;H/c-Si по моделям МО и СФС выяснено, что большая часть локализованных состояний в a-Si:H, измеряемых с помощью метода ВФХ находится а энергетическом диапазоне от равновесного уровня Ферми до середины щели подвижности («область I»). Сделан вывод, что игнорирование заряда на границе раздела приводит к существенной ошибке при определении кощикгной разнос™ потенциалов VD и плотности локализованных состояний в щели подвижности a-Si;H.

В связи с этим нами разработана методика расчета ВФХ, в которой при определении плотности локализованных состояний в аморфном полупроводнике yimmui-стся влияние состояний на границе раздела. Заряд, связанный с дефектами границы раздела (Ou) определяете« в модели СФС как О.ЧХ. поско.тьк) не ьышинкле* уело-

048 12 16 -8-4048

Ц В Ц В

Рис. 1. ВФХ гетероструктуры а-З^.Н/с-Б!, Рис. 2. Зависимость \У3(У) для гетсрострук-

сформнрованной при мощности разряда 200 туры а-БкИ/с-Б!, сформированной при мощ-

Вт, давлении 40 Па, температуре подложки 225 ности разряда 200 Вт, давлении 40 Па, тем-

С.

пературе подложки 225 сС.

вие равенства заряда в а-БгН (<3а) и в обеденной области с-Б! ((}с) (рис.3), которые рассчитываются соответственно по формуле (1) и (2)

(1)

(2)

На основе литературных данных [4, 5] предположено, что энергетическое распределение плотности поверхностных дефектов имеет форму гауссиана с максимумом, расположенным на 0,45 эВ ниже дна зоны проводимости (ЗП) (рис.4).

зв-7

1

С*

С?

2е7

О

^ -1е-7

-2е-7

-0.2 -0.1

с. 1,12 еВ

с,]------------

■•"•—--------01«"'

—--

Состоялся границы раздела

С-51(р)

«-А---------

Е82

ДЕу

«2

0,3!Н0,5 эВ

:-----Еттах

£¡2

Рис.З. Распределение зарядов Ос (▼), С}* ( Л) и (,\л (О) п гсгероструктурс, сформированной при мощности разряда 200 Вт, давлении 40 Пл. Температуре подножки 2-5 "С.

Рис,4. Энергетический профиль зонной диаграммы гетероперехода а-$1:Н/с-81 с учетом состояний на границе раздела.

При определении плотности

локализованных

состояний

рассматривалось два возможных вида ее распределения: (1) равномерное распределение в щели подвижности аморфного материала (&) во всем диапазоне интегрирования н (2) экспоненциальное распределение, описываемого формулой (3):

Определение величины плотности локализованных состояний в середине щели подвижности аморфного полупроводника и величины контактной разности потенциалов происходит путем подгонки рассчитанной из выражения Пуассона зависимости

Сравнения параметров гетероструиур a-SirWc-Si, полученных из расчета по модели МО (Ni) и в результате моделировании для равномерного (Nim) и экспоненциального (Nie) распределен!« плотности состояний показало, что значение N< существенно занижено по сравнению с результатами, представленными в [1|. По соотношению между N| и результатами моделирования (N|/Nim<1 Nj/Nie<1) сделан вывод, что пренебрежение состояниями на границе раздела приводит к значительному (в некоторых случаях почти на порядок) занижению значения плотности объемных локализованных состояний в a-Si:H.

Анализ результатов моделирования зависимости W,J(V) для различного вида распределения показал, что величины Nim и Nie совпадают с точностью до нескольких процентов, хотя значение VD в некоторых случаях различаются значительно. Для экспоненциального распределения величина Vq более реальна, чем для равномерного, так как ее значение ближе к результатам, полученными другими исследователями [I, б). Это свидетельствует о неправомерности предположения о равномерном распределении плотности состояний в середине щели подвижности a-SÍ.H. При дальнейшем анализе свойств гетероструктур мы использовали только результаты моделирования экспоненциального распределения плотности локализованных состояний в a-S¡:H.

Анализ зависимостей параметров гетероструктур a-S¡:H/c-Si, полученных в результате моделирования, от мощности разряда, температуры подложки и скважности разряда в модулированном режиме горения плазмы, позволил определить оптимальные технологические режимы их формирования. Значения плотности состояний в объеме a-Si:H и на границе раздела a-Si:Il/c-Si минимальны (соответственно 1,68-1015

(3)

W|J(V) к экспериментальной, определенной по виду C(V) кривой.

см'3 и 1,2-10" см'3) при давлении моносилана 70 Па, мощности разряда 200 Вт и температуры подложки 275 °С, при этом, в методе НЧ (55 кГц) ПХО, по сравнению с другими методами получения, оптимальная температура подложки смещена в область более низких температур, что вызвано ионной обработкой поверхности роста |7]. Уменьшение плотности объемных и поверхностных состояний соответственно до 9,80-Ю14 см'3 и 9,МО10 см"1 с использовании модулированного режима горения плазмы при скважности разряда 4, связано с образованием более упорядоченной микро-сгруюгуры a-Si:H.

Анализа энергетических профилей гетеропереходов показал, что минимальные величины разрывов в зоне проводимости (ДЕс) и валентной зоне (ДЕу) достигаются при давлении моносилана 70 Па, мощности разряда 200 Вт и температуры подложки 100 °С (ЛЕ<--0,345 и ДЕу=0,879 эВ). Использование модулированного режима горения плазмы снижает их до значений 0,219 и 0,331 эВ соответственно, являющимся наиболее близкими к литературным данным для гетероструктур, полученным с использованием других методов осаждения [1,6].

В четвертой главе представлены результаты исследования состава и ВФХ гете-роструктур на основе сплавов a-Si:H с германием и углеродом, полученных методом НЧ (55 кГц) ПХО из газовой фазы при высоких скоростях роста.

Результаты исследования состава сплава a-S¡Ge:H методом ВИМС и РМА показали практически линейную зависимость содержания германия от концентрации герма-па в газовой смеси, что говорит об эффективном внедрении Ое в пленку a-Sí:H из-за более низкой энергии диссоциации германа, по. сравнению с силаном. В свою очередь, в процессе роста сплавов a-SiC:H отсутствует эффективное внедрения углерода в аморфный кремний, что связано с установлением режима «низкой мощности» и формированием значительной доли графитоподобной компоненты в материале |7].

Для гстсроструктур a-S¡Ge:H/c-Si и a-SiC:H/c-S¡, так же, как и в случае a-Si;H/c-Sí (см. выше), большая часть состояний дефектов, измеряемых с помощью метода ВФХ, находится в энергетическом диапазоне от равновесного уровня Ферми до середины щели подвижности и игнорирование заряда на границе раздела приводит к су-шссшенной ошибке при определении контактной разности потенциалов V0 и инте-rpxTuioit плотности локализованных состояний в объеме аморфного полупроводника.

Поэтому, для корректного определения параметров гетероструктур па основе сплавов SiGe и SÍC была использована методика, представленная в главе 3.

Анализ зависимостей параметров гетероструктур а-SiGe.H/c-Si, полученных в результате моделирования, от состава аморфного сплава и температуры подложки показал, что меньшие значения плотности состояний в объеме a-SiGe:H и на границе раздела в гетероструктурах a-SiGe:H/c-Si (соответственно 1,50-Ю" см"3 и 1,5-Ю11 см"5), а также с минимальные величины разрывов энергетических зон (ДЕс=0,09 и AEV"0,43 эВ) формируются при температуре подложки 225 °С и содержание германия в аморфном сплаве Х=12 ат. %.

В результате исследования зависимостей параметров гетероструктур a-SiC:H/c-SI от состава аморфного сплава и температуры подложки при непрерывном и модулированном режиме горения плазмы определены оптимадыше технологические режимы их формирования. При увеличении содержания метана в газовой смеси от Y=6,5 до У"=42,5 ат, % плотность локализованных состояний уменьшается и достигает минимума при Y=42,57 ат. % и температуре подложки 325 °С (соответственно 9,11-Ю14 см' 3 и 5,2>10" см'2). Модулированный режим горения плазмы практически не влияет на границу раздела и приводит к уменьшению плотности объемных состояний с 4,04' 10й до 1,53-Ю15 см'3 (Ts"=225 С), что связывается с формированием более упорядоченной микроструктуры аморфного сплава кремний-углерод. Показано, что минимальные значения разрывов зон в гетеропереходах a-SiC:H/c-S¡ достигаются при содержании углерода в аморфном сплаве 6,5 ат. % и температуре подложки 325 °С (ДЕс"0,71 и ДЕу=0,06 эВ). С увеличении концентрации углерода в сплаве до 24,5 ат. % ДЕс и АЕу значительно возрастают, что связано с влиянием диполей на границе раздела.

В главе 5 анализируется природа энергетических состояний в гетероструктурах на основе аморфный/кристаллический полупроводник по результатам исследования их свойств методами ВФХ, ЭПР, МПФ, измерения оптического пропускания и ИК-спектроскопии.

В разделе 5.1 на основе совокупности исследований оптических и электрофизических свойств a-Si:H и гетероструктур a-Si:H/c-S¡ установлена природа локализованных состояний в щели подвижности я на границе раздела, а также представлена энср| етическая модель гетеропереходов a-Si:lf/c-S¡. Обнаружено, что плотность лока-.ш.тваннмх состояний в середине щели a-Si:Il, определяемая методом ВФХ, в одно-

родной по микроструктуре пленке определяется плотностью дефектов Б0 (см. рис.5). В пленках с высокой степенью структурной разупорядоченности, связанной с образованием в них полимеризованных частиц, плотность локализованных состояний контролируется полигидридными конфигурациями и слабо зависит от концентрации оборванных связей (см. например, рис.6). ,

В результате исследования энергетических состояний на границе раздела а-БкИ/с-Б! установлено, что природа поверхностных состояний и локализованных состояний в щели подвижности аморфного полупроводника идентична и определяется микроструктурой а-8Ш (см. рис.7). В результате поверхностные состояния на границе раздела гетеропереходов формируются со стороны аморфного полупроводника и оказывают влияние на измеряемые вольт фарадные характеристики гетероструктур.

ЗеИв

10+18

1еИ7 AíypCM

1е+18

1е+17

О 1еИв

а?

D

О 40 60

ВД, СМ'1

120

Рнс.5. Зависимость Nie от Иэш> для гетерост- Рис.6. Зависимость N« от l[SiH0] для гетеро-

руктур a-Si:H/c-Si, сформированных при раз- структур a-S¡:H/c-Si, сформированных при

личной мощности разряда и давлении моно- различной мощности разряда и давлении мо-

силана 70 Па (О) и 190 Па (□). носилана 70 Па (О) и 190 Па (□).

Разработана модель энергетической диаграммы гетероперехода а-вкН/с-Б! с учетом влияния поверхностных состояний. Согласно данной модели уменьшение контактной разности потенциалов с увеличением плотности состояний на границе раздела гетероструктур связано с закреплением поверхностного уровня Ферми в с-Э» на состояниях границы раздела, формируемых со стороны аморфного полупроводни-кд(см. рис.8). Наличие заряда, связанного с этими состояниями, так же, как и в случае гетеропереходов на основе кристаллических полупроводников |2), приводит к характерному изгибу зон. При этом увеличение заряда приводит к изгибу зон, уменьшающему величину разрывов зоны проводимости н вале!гтной зоны (см. рис.9).

8s+11

6э+11

49+11

29+11

1s+15 2э+15 Зе+15 4е+15 Ее+15 Л/урСМ3

еэ+11

Рис.7. Зависимость Nss от N]E дал гетерострук- Рис.8. Зависимости VD от Nss для гетерост-

тур а-Б^Н/с-Б!, сформированных при различной температуре подложки.

руктур а-БгН/с-Б!, сформированных при различной мощности разряда и давлении моносилана 70 Па (О), температуры подложки (О) и скважности модулированного разряда (Д).

(а)

4.05 еУ

Eil_________

EF(c-Si)T5r -

(б)

Уровень вакуума

qVdi-

4.05 eV

ГТ L

--Уровень

] вакуума

\________l.....L.?T(a-Si)

Г\ б' р

'Нглг-'t£ ~ — ■ EF(a-Si) АЕ„

a-Si:H

Е||_________

IÄ

EF(c-Si)

Ш-

Х2

5..............ET(a-Si)

„ ' Состгянич^'^

AEV

^v границы раздела в o-SI

c-Si(p) a-Si:H

С-в1(р)

Рис.5.9. Изменение энергетического профиля гетероперехода а-ЭиН/с-Б! при увеличении плотности состояний на границе раздела (а - N55 мало и уровень Ферми в а-БЖ совпадает с уровнем Ферми в с-81; б - Мез велико и уровень Ферми в с-Б! закрепляется на поверхностных состояниях а-БгН),

В разделе 5.2 на основе совокупности исследований оптических и электрофизических свойств a-SiGe-.Il и гетероструктур а-5Юе:Н/с-81 установлено, что введение германия в а-вШ приводит к увеличению плотности локализованных состояний в середине щели а-БЮе:!!, природа которых обусловлена дефектами в виде оборванных связей Ое (рис.5.10). При постоянной концентрации германия в сплаве плотность объемных состояний определяется структурной разупорядоченностью, обусловлен-

16 ■ • пой полигидриднымн конфигурациями кремния. Результаты исследования природы состояний на границе раздела а-5Юс'.Н/с-81 показали, что, так же как и для структур а-БиШс^, состояния на границе раздела гетеропереходов а-8Юе:Н/с-51 формируются со стороны аморфного полупроводника, а их природа обусловлена оборванными связями германия, находящимся в приграничной области гетероперехода (рис.5.11). Модель энергетической зонной диаграммы гетероперехода a-SiGe-.il/c-показала, что, так же, как и идя гетеропереходов а-81:П/с-$1, уменьшение контактной разности потенциалов с увеличением плотности состояний на границе раздела гетсроструктур связано с закреплением поверхностного уровня Ферми в с-81 на состояниях границы раздела, формируемых со стороны аморфного полупроводника. При этом увеличение заряда, связанного с этими состояниями, приводит к увеличению величины разрывов зон. Обратный знак изменения величины разрыва зон в гете-роструктурах а-8Юе;НУс-5| с увеличением плотности поверхностных состояний, по сравнению аналогичной зависимостью в а-5кП/с-В1 связано с меньшей, величиной электронного сродства и шириной щели подвижности в а-5Юс;Н.

6 а?

б

Ччи-11

1[ввН}, см

1»»15

[&к% см1

Рис.5.10. Зависимость Ян- от 1[ОеН] для гете- Рис.5.11. Зависимость N$5 от 1[Ое-Н] для ге-роструктур a-SiGe.il/c-Si, сформированных тероструктур а-БЮе:НЛ:-51, сформированных при различном содержании германия в спла- при изменении содержания германия а сплаве »с. (О) и температуры подложки (О).

В разделе 5.3 на основе совокупности исследований опгических и электрофизических свойств сплава а-81С:Н и 1етероструктур а-51С:Н/с-5(, установлено, что плотность состояний в середине щели подвижности аморфною сплава, определенная С помощью и сюда НФХ, контролируется дефектами, свямннычи с оборванными спя-

зями Si (рис.12). Для структур, сформированных при изменении содержания углерода в a-SiC'.H, вероятность образования дефектов уменьшается с уменьшением концентрации более слабых связей SiH и увеличением концентрации более прочных связей, формируемых углеродом. При постоянном содержании углерода и различных температурах положки плотность дефектов, связанных с атомами кремния определяется вероятностью их пассивации водородом (рис.13). Использование модулированного режима горения плазмы позволяет уменьшить величину плотности объемных состояний, что связано с формированием более упорядоченной микроструктуры материала.

Установлено, что поверхностные состояния на границе раздела a-SiC:H/c-Si формируются со стороны аморфного материала и определяются дефектами, в виде оборванных связей кремния, как и в случае a-Si:H/c-Si. При этом увеличение концентрации углерода в пленке приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний, что, как и в случае объемных состояний, определяется более высокой энергией связей, формируемых атомами углерода. Использование модулированного режима осаждения практически не влияет на величину Nss. Также как и для гетероструктур а-Si:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si (см. выше) увеличение плотности состояний на границе раздела гетеропереходов a-SiC:H/c-Si приводит к уменьшению контактной разности потенциалов, однако, в отличие от a-SiGe:H/c-Si величины разрывов зон уменьшаются, что связано с меньшей величиной электронного сродства и большей шириной щели подвижности в a-SiC:H по сравнению с a-SiGe:H.

5в+15 --- ' 5вИ5

4е+15

т Зе*15 8

гШ2е+15

1е+15

60 70 80 ¡[S-HJ, см1

1000 1200 Ißhü, см'1

1400

Рис.12. Зависимость N,E от I[SiH] для гетеро- Рис.13. Зависимость Nie от I[Si-H] для гетероструктур a-SiC.H/c-Si, сформированных при структур a-SiC:H/c-Si, сформированных при различном содержании углерода в сплаве. различной температуре подложки в непрерывном (О) и модулированном (Q) разряде

Основные результаты и выводы.

1. Впервые получены и исследованы гетеросгруктуры аморфный/кристаллический полупроводник на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом, осажденные методом НЧ (55 кГц) ПХО с высокой скоростью роста.

2. Разработана методика, позволяющая эффективно разделять локализованные состояния в объеме аморфных полупроводников и на границе раздела, а также определять действительную величину контактной разности потенциалов в гетерост-руктурах аморфный/кристаллический полупроводник на основе а-БШ и сплавов а-БЮе'.Н, а-81С:Н. В ее основе лежит объединенное решение двух различных подходов к расчету экспериментальных зависимостей емкости и квадрата ширины обедненной области с учетом плотности состояний на границе раздела, имеющей форму распределения Гаусса с максимумом, лежащем на 0,45 эВ ниже дна зоны проводимости.

3. С помощью разработанной методики проведено исследование гетероструктур а-БкН/с-З! и установлена природа объемных и поверхностных состояний. В структурно однородных пленках локализованные состояния в щели подвижности а-вШ обусловлены дефектами в виде оборванных связей кремния, а при высокой степени структурной разупорядоченности аморфных пленок • полигидридными конфигурациями атомов кремния и водорода. Определено, что плотность состояний на границе раздела гетеропереходов а-ЗиН/с-в! контролируется теми же технологическими факторами, что и объемные состояния в а-81:Н.

4. Обнаружено, что введение германия в а-БкН приводит к увеличению плотности

локализованных состояний, природа которых обусловлена дефектами в виде

/

оборванных связей Ое. При постоянном содержании германия в сплаве, плотность объемных состояний контролируется структурной разупорядоченностью, вносимой полигидридными конфигурациями кремния. Состояния на границе раздела гетеропереходов а-8Юе:Н/с-81, также, как и в а-51:Н/с-51, формируются со стороны а-5Юс:Н и их природа обусловлена исключительно оборванными связями йс, расположенными в приграничной области гетероперехода,

5. В результате исследований гетероструктур а-81С:Н/с-Я1 установлено, что природа объемных состояний п a-SiC.ll и на границе раздела а-81С:И'с-81 обусловлена де-

фектами в виде оборванных связей атомов Si. Плотность локализованных состояний уменьшается с уменьшением концентрации связей SiH и образованием более прочных связей на основе С. При постоянном содержании С и изменении температуры подложки плотность объемных и поверхностных состояний уменьшается с увеличением концентрации связей SiH, что определяется вероятностью пассивации оборванных связей Si водородом. Использование модулированного режима горения плазмы не оказывает влияния на плотность поверхностных состояний, но уменьшает величину объемных состояний, что связано с формированием более упорядоченной структуры материала.

6. Установлено, что увеличение плотности состояний на границе раздела гетерост-руктур a-SÍ:H/c-Si, a-SiGe:H/c-Si и a-SiC:H/c-Si приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и к изменению величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны. При этом, в гетероструетурах на основе a-Si:H и a-SiC:H с увеличением плотности поверхностных состояний разрывы зон уменьшаются. В гетеропереходах a-SiGe:H/c-Si разрывы энергетических зон увеличиваются с увеличением плотности состояний на границе раздела, что связано с большей величиной электронного сродства в a-SiGe:H и меньшей шириной щели подвижности по сравнению с a-Si:H и a-SiC:H.

7. Разработанная нами методика и определенные с ее помощью закономерности формирования гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:H и его сплавов с Ge и С, позволили спрогнозировать оптимальные технологические режимы формирования структур «приборного» качества для использования их в качестве элементной базы при создании датчиков излучения и элементов солнечных батарей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бирюков A.B. "Вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики гетероструктур a-Sí:H/c-S¡", Тезисы докладов Межвузовской НТК "Микроэлектроника и информати-ка-97", часть 1, с 87.

2. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, D.A.Stryahilev, A.Yu.Sazonov, A.G.Radoselsky, A.V.Biriukov, A.A.Popov, J.W.Metselaar "A novel method of a-Si.H film deposition for solar cell application" Abstracts of Second International School-Conference on Physical

Problems in Materia! Science of Semiconductors (PPMSS'97), Chernivtsi, Ukraine, September 8-12, 1997, p.309.

3. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, V.D.Chernomordic, A.APopov, A.V.Biriukov, L.Ljungberg "Carrent-voltage and capacitance-voltage characteristics of a-Si:H/c-Si het-erojunction formed by 55 kHz PECVD", Abstracts of Second International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (PPMSS'97), Chernivtsi, Ukraine, September 8-12,1997, p.289.

4. Б.Г.Будагян, A.A. Шерченков, В.Д.Черномордик, А.В.Бирюков, Н.И.Попенко "Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур а-Si:H/c-Si, полученных высокоскоростным методом осаждения", тезисы докладов Всероссийской НТК «Электроника и информатика-1997», часть 1, с. 45.

5. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, V.D.Chernomordic, A.V.Biriukov L.Ljungberg. "a-Si:H/c-Si heterostructures prepared by 55 kHz glow discharge high-rate deposition technique", abstracts 17"1 International Conference on Amorphous and Microcrystalline Semiconductors (ICAMS-17), Budapest, Hungary, August 25-29, 1997. P.69. Tu-Pl/2.

6. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, V.D.Chernomordic, A.V.Biriukov, J.W.Mctselaar "The properties of a-Si:H/c-Si heterostructures prepared by 55 kHz PECVD for solar sell application", Program & registration materials Material Research Society (MRS-97) Fall Meeting, december 1-5, Boston, Massachusetts, G6.U, p 61,

7. Бирюков A.B. "Электрофизические свойства гетероструктур a-Si:H/c-Si, полученных высокоскоростным методом осаждения в плазме 55 кГц", Тезисы докладов Межвузовской НТК "Микроэлектроника и информатика-98", часть 1, с 92.

8. Б.Г.Будагян, А.А. Шерченков, А.В.Бирюков "Свойства гетероструктур a-Si:H/c-Si, сформированных с помощью высокоскоростного метода осаждения", тезисы докладов Всероссийского симпозиума с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", 1998 г., стр.143.

9. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, V.D.Chcmomordic, A.V.Biriukov L.Ljungberg. "a-Si:lfc-Si heterostructures prepared by 55 kHz glow discharge high-rate deposition technique" // J. of Non-Cryst. Solids, 227-230, (1998), 1123-1126.

10. B.G.Budaguan, A.A.Aivazov, A.A.Sherchenkov, A.V.Biriukov, V.D.Chernomordic, J.W.Mctselaar "The properties of a-Si:H/c-Si heterosiructures prepared by 55 kHz PECVD for solar sell application'V/Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol.485, (1998), pp.303-308.

11. Бирюков А.В., Сизов А.В. "Свойства гетероструктур a-Si:H/c-Si, полученных в НЧ (55 кГц) модулированной плазме", Тезисы докладов Межвузовской НТК "Микроэлектроника и информатика-99", с. 53.

12. Б.Г.Будагян, АЛ.Шерченков, А.В.Бирюков, Г.Л.Горбулин, А.В.Мазуров «Разработка технологии получения гетероструктур a-SiGe:H/c-Si и a-SiC:H/c-Si для датчиков излучения», Тезисы докладов XI Научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 99). Гурзуф, май 1999г. С. 84-85.

13. B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov, А.Е. Berdnikov, A.V.Biriukov "influence of the modulated regime on the properties of a-Si:H/c-Si heterostructures formed in 55 kHz PECVD" // Third International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (PPMSS'99), Chernivtsi, Ukraine, September 7-10 1999.

14. B.G. Budaguan, A.A. Sherchenkov, A.V. Biriukov "Characterization of a-SiC:H/c-Si heterostructures formed by high rate deposition technique" // Third International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (PPMSS'99), Chernivtsi, Ukraine, September 7-10 1999.

15. Б.Г. Будагян, A.A. Шерченков, А.Е. Бердников, А.В. Бирюков, Г.Л. Горбулин «Плотность состояний на границе раздела гетероструктур a-SiGe:H/c-Si, полученных высокоскоростным методом осаждения» // Материалы X Международного Симпозиума "Тонкие пленки в электронике", Ярославль, 1999, часть 2, стр. 238-243.

16. Бирюков А.В. «Электрофизические свойства гетероструктур a-SiGe:H/c-Si полученных в плазме тлеющего разряда на частоте 55 кГц», Материалы международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000», выпуск 4, с. 450-451.

17. Бирюков А.В. «Исследование гетероструктур a-SiC:H/c-Si, полученных при высоких скоростях роста», Тезисы докладов Всероссийской Межвузовской НТК студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2000", с. 33.

Литература:

1. Н. Matsuura, Н. Okushi, "Electrical properties amorphous/crystalline semiconductor het-erojunction" in Amorphous and microcrystalline silicon devices, ed. by J. Kanicki (Artech House, Boston, 1992), vol II, pp.517-561.

2. Б.Л. Шарма, P.K. Пурохит, "Полупроводниковые гетеропереходы" М. "Советское радио", 1979. 227 с.

3. G. Sasaki, S. Fujita, A. Sasaki "Gap-states measurement of chemically vapour-deposited amorphous silicon: High-frequency capacitance-voltage method", J. Appl. Phys., vol 53, № 2 (1982), pp.1013-1017.

4. А. Меден, M. Шо. Физика и применение аморфных полупроводников. М. Мир. 1991.669 с.

5. В. Jagannathan, W.A. Anderson, "Defect study in amorphous silicon/crystalline silicon solar sells by thermally stimulated capacitance", J. Appl. Phys., vol. 82, № 4, 1997, pp.1930-1935.

6. M. Rösch, R. Brüggemann and G.H. Bauer, "Influence of interface defects on the current-voltage characteristics of amorphous silicon/ctystalline silicon heterojunction solar cells" // Proc. of the 2nd World Conf. on Solar Energy Conversion. 1998, pp. 964-967.

7. Б.Г. Будагян, А.А.Шерченков, «Высокоскоростная низкотемпературная технология некристаллических полупроводников», принято к печати.

Подписано в печать 09. ii.ZOOO-Зак У&177 Тираж 100 экз.

Формат^)«^¿Объем 1,17 уч.изд.л. Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ)