автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Фотоприемные структуры на основе аморфного гидрогенизированного кремния

На правах рукописи

Богданов Александр Александрович

ФОТОПРИЕМНЫЕ СТРУКТУРЫ 11А ОСНОВЕ АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ".

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Афанасьев В. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Олеск А.О.

кандидат физико-математических наук Балландович B.C.

Ведущая организация - ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится " 2-7" иЮНЯ 2000 г. в - часов на заседании диссертационного совета К 063.36.10 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Семенов Н.Н.

ШНМЬ'-пбсЛ-б^ ,о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из насущных проблем современной твердотельной электроники является создание датчиков, обладающих высокой чувствительностью в области ультрафиолетового (УФ) и видимого излучения. Среди областей применения таких датчиков можно отметить металлургию и микроэлектронную технологию, экологию и медицину, животноводство и сельское хозяйство, военную технику, метрологию и другие. Обычно используемые для этих щелей монокристаллические широкозонные полупроводники обладают достаточно высокой стоимостью, что оправдано в прецизионных сенсорах, но неприемлемо в случае массового производства. Компромисс между стоимостью и электрофизическими параметрами может быть найден при использовании такого материала, как аморфный гидрогенизиро-ванный кремний (а-БШ).

Исследования пленок а-БШ показали, что они характеризуются высокой фотопроводимостью, большим коэффициентом поглощения, возможностью эффективного легирования. Однако, несмотря на более чем двадцатилетнюю историю использования а-БШ, вопросы получения качественного материала с высокой воспроизводимостью и стабильностью параметров для сенсорных применений до сих пор не решены.

Для создания эффективных фотоприемных структур необходимы пленки а-БШ с высокой фоточувствительностью, у которых отношение фотопроводимости Срь к темговой проводимости оа было бы не ниже 104. Это требует дополнительных усилий в совершенствовании технологии получения пленок на базе наиболее распространенного метода - плазмохимического осаждения (ПХО), а также в исследовании возможности формирования в едином технологическом цикле различных сплавов а-БШ, в частности с большей шириной запрещенной зоны для увеличения чувствительности в коротковолновой части спектра, и легированных слоев а-БкН для создания р-1-п структур. Кроме того, несомненный интерес представляют фоточувствительные гетероструктуры с пленкой <х-8кН на монокристаллическом кремнии.

Для получения высоких значений по быстродействию и фоточувствительности в УФ и видимом диапазонах наиболее перспективными являются фотоприемники с барьером Шоггки (БШ). При их формировании необходимо решить проблемы создания воспроизводимого контакта металл-а-81:Н с максимальной высотой потенциального барьера. В настоящее время отсутствуют модели для описания характеристик многослойных фото приемников на основе а-БШ с барьером Шотг-ки и гетеропереходом, Все вышеуказанное делает работу актуальной.

Нель работы:

Разработка технологии формирования нелегированных и легированных пленок a-Si:H с использованием метода циклического осаждения; проведение комплексных исследований параметров пленок и структур на их основе, полученных в разных технологических режимах; создание на основе пленок a-Si:H фотоприемников УФ и видимого диапазонов излучения разных типов с различными спектральными характеристиками.

Задачи диссертационной работы

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- разработка технологического режима формирования нелегированных пленок а-Si:H методом циклического плазмохимического осаждения на базе технологического комплекса однокамерного типа;

- с целью повышения экологической чистоты производства разработка методов получения легированных пленок a-Si:H «-типа и р-типа при замене традиционных фосфина и диборана диспрозием и триэтилбором (ТЭБ), а также рассмотрение возможности формирования в установке однокамерного типа в едином циклеp-i-n гетероструктур;

- отработка режимов получения сплавов a-Si:H с углеродом различного состава, исследование влияния углерода на фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H, в том числе на их спектральные характеристики;

- сравнительный анализ методов формирования барьерообразующих платиновых электродов для фотоприемников (ФП).с барьером Шоттки на основе a-Si:H;

- теоретический анализ фоточувствительных гетероструктур на монокристаллических кремниевых подложках с пленкой a-Si:H и барьером Шоггки;

- создание на базе пленок a-Si:H различных фотоприемников, эффективно работающих в А и В областях УФ излучения, а также в видимой части спектра;

- разработка фотоприемной системы, обладающей селективной чувствительностью в С области УФ излучения;

- исследование возможности повышения стабильности параметров фотоприемных структур на основе пленок a-Si:H.

Научная новизна работы:

1. Разработанный метод циклического ПХО с отжигом в водородной плазме позволяет получить пленки a-Si:H с высокой фоточувствительностью cph/fTd~107 (при условиях освещения AMI), отличающиеся повышенной стабильностью в процессе воздействия излучения.

2. Дополнительная термообработка пленок a-Si:H, полученных методом циклического осаждения, приводит к повышению их стабильности при облучении, причем фоточувствительность пленок остается достаточно высокой Oph/CTd=105).

3. Установлено, что использование модели двух встречно включенных барьеров позволяет адекватно описать темновые вольт-амперные характеристики гетеро-структуры с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки, осажденной на кремниевую подложку.

4. Впервые на базе многослойной структуры с барьером Шоттки на a-Si:H, гетеропереходом на границе c-Si-a-Si:H и р-п переходом в монокристаллической кремниевой подложке получены фотоприемники, изменяющие свою спектральную чувствительность при изменении напряжения на структуре, обратно смещающего барьер Шоттки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Отработана технология циклического плазмохимического осаждения нелегированных пленок a-Si'.H, позволяющая достигать фоточувствительности стрь/ст<г~107 при условиях освещения AMI. Показано, что дополнительная термообработка пленок a-Si:H в вакууме повышает их стабильность в процессе облучения.

2. Разработаны фотоприемники с барьером Шоттки на спектральный диапазон 220 - 400 им, с чувствительностью 0,3 А/Вт, формируемые на никелевой фольге и отличающиеся низкой стоимостью.

3. Разработан и изготовлен датчик с перестраиваемыми параметрами на спектральный диапазон 400 - 1000 ям на базе гетероструюуры с a-Si:H, сформированной на монокристаллической кремниевой подложке с эпитаксиальньш слоем.

4. Создано устройство, обладающее селективной чувствительностью к С области УФ излучения с максимумом спектральной характеристки на 230 нм, основанное на выделении разностного сигнала от мостовой схемы на фоторезисторах с a-Si:H.

5. Результаты работы вошли в отчет по НИР ГР/ДП-22 («Разработка научных основ и нетрадиционной технологии получения многослойных структур для эффективных преобразователей солнечной энергии на основе a-Si:H») и были использованы при выполнении грантов Copernicus IC15-CT98-0819 (TIMOC) и Intas № 97-1910. Кроме того, результаты работы использованы в НТО «ТКА» (г. Санкт-Петербург) при создании приборов для измерения оптического излучения УФ диапазона.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Использование модифицированного циклического осаждения приводит к увеличению концентрации водорода, и, как следствие, ширины запрещенной зоны, наиболее полной пассивации им оборванных связей в сетке аморфного кремния. Это делает возможным получение пленок a-Si:H с отношением орь/оа не хуже 10б (при условиях освещения AMI).

2. Вольт-амперные характеристики фотоприемных тонкопленочных структур, сформированных на монокристаллических кремниевых подложках осаждением пленки a-Si:H и барьерообразующего платинового электрода, адекватно описываются в рамках модели двух встречно включенных барьеров, учитывающей гетеропереход c-Si-a-Si:H.

3. В фотоприемниках на базе многослойной гетероструктуры, выполненной на кремниевой подложке с эпитаксиальньш слоем, удается эффективно менять спектральную чувствительность путем изменения напряжения, приложенного к структуре.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах: Второй Российской конференции по материаловедению и физико - химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний 2000», МИСиС, Москва, 9-11 февраля 2000 г.; Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», ФТИ им. А. Ф. Иоффе СПб, 5-9 июля 1998 г.; Всероссийской конференции «Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств», ИОНХ РАН, Москва, 17 - 19 ноября 1999 г.; научных молодежных школах по твердотельной электронике: «Твердотельные датчики» (Санкт - Петербург, 23 -25 ноября 1998 г.) и «Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлек-троники» (Санкт - Петербург, 4-11 декабря 1999 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1997 -2000 гг.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи и 5 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего .95 наименований. Основная часть работы изложена на 124 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка и 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации кратко обоснована актуальность работы, определены дели и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носят обзорный характер. В ней обобщены и систематизированы литературные данные, касающиеся основных свойств пленок oc-Si:H, технологии их получения, а также характеристики фотоприемных структур, в которых использованы пленки a-Si :Н. 1

Показано, что характеристики пленок a-Si:H в сильной степени зависят от выбора технологии получения и параметров технологического процесса. При этом наибольшее распространение получил метод ПХО в тлеющем разряде. Однако для формирования пленок с высокой фоточувствительностью и стабильностью требуется дальнейшее усовершенствование технологии их получения.

Отмечается, что наличие ближнего порядка в a-Si:H позволяет применять к нему основные положения теории для кристаллических полупроводников, а топологический беспорядок, характерный для неупорядоченных полупроводников, сам по себе не ликвидирует понятия запрещенной зоны. Показано, что вследствие большего, по сравнению с другими материалами, коэффициента поглощения в области энергий 4 - 6 эВ и наличия эффекта ударной ионизации a-Si:H обладает высокой чувствительностью в УФ диапазоне. Анализируется стабильность фотоэлектрических свойств пленок a-Si:H. Отмечается, что на настоящий момент эта проблема не решена.

Рассмотрены различные типы фотоприемных структур, а также приводятся данные по датчикам УФ и видимого излучения на основе классических материалов. Особо рассматриваются структуры с барьером Шоттки, как наиболее перспективные для приемников УФ излучения. Указывается на потребность в создании дешевого фотоприемника А и В областей УФ излучения.

На основании обобщения результатов проведенного анализа литературы и выводов формулируются основные цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена технология получения и исследованы тестовые структуры с нелегированными и легированными пленками a-Si:H (табл. 1).

Нелегированные пленки a-Si:H осаждались в однокамерной установке диодного типа методом ПХО из газовой смеси 80%Ar+20%SiH4 на различные подложки. При оптимизации условий осаждения нелегированных пленок a-Si:H варьировались температура подложки, мощность ВЧ разряда, давление газовой смеси и

скорость вращения барабана-подложкодержателя. Критерием качества полученных пленок служило отношение Стрь/ста, характеризующее их фоточувствительность (см. рис.1). Анализ зависимости фоточувствительности (арЬ/<за) от температуры подложки (Т5), построенной для различных режимов осаждения пленок, позволил оптимизировать условия осаждения и в дальнейшем в качестве базовых параметров принять Т5=250°С, \У=40 Вт, р=25 Па, пвр=4 об/мин (рис. 1).

Толщина (<1), коэффициент по-

crph/Od-10 3

-в- 40Вт, 25Па -А- 40Вт, 20Па -В- 20Вт, 25Па

150

200

300

350

Ts, °С

глощения (а) и показатель преломления (п) пленок, нанесенных на кварцевые подложки, определялись из спектров пропускания образцов по методике Сванепула. Значения энергии активации (Еа) рассчитывались по температурным зависимостям темновой проводимости. Оптическая ширина запрещенной зоны (Ее) пленок определялась из спектральной зависимости коэффи-

250 Рис. 1

циепта поглощения методом Тауца. Приведенные в табл. 1 результаты, свидетельствуют о высоком качестве полученных плеток ос-8Ш, в первую очередь, об их высокой фоточувствительности (сгрь/сг£5=3 • 106).

Таблица 1

Технологические режимы и основные параметры полученных пленок

Пленки Состав газовой Метод и режи- d, Eg, Еа5 (Opt/OdXHx

смеси мы осаждения мкм эВ эВ

a-Si:H 20%SiH4+ ПХО 0,05- 1,6- 0,68- 3-106

80%Ar Т5 - 250°С W - 40 Вт Рем - 25 Па пвр- 4 об/мин 0,5 1,7 0,72

a-Si:H 20%SiH4+ ПХО 0,4- 1,85 0,9 10'

(циклическое) 80%Ar W(td6P+tt,)=o,4 0,5

a-Sii.xCx:H SiH4+Arf CH4 ПХО 0,40,6 2,1 1,2 5-102

oc-Sii.xCx:H<B> 20%SiH4+ 0,4-

80%Ar+ ПХО 0,5 2 0,38 8-103

3,7% B(C2H5)3

a-Si:H<Dy> 20%SiH4+ MPC 0,4- 1,6- 0,7 7-Ю4

80%Ar W- 150 Вт 0,5 1,75

Перспективным направлением дальнейшего повышения качества пленок a-Si:H является использование циклического режима нанесения, при котором цикл ПХО пленки a-Si:H чередуется с ее отжигом в водородной плазме. В процессе отработки этой технологии проводилось изменение соотношения времени осаждения (tdep) и времени отжига (ta). Время отжига в водороде было зафиксировано и равнялось 2 минутам, а время осаждения варьировалось от 1 до 4 минут. Из зависимости темновой и фотопроводимости от отношения ^(^¡гИп) определено, что максимум фоточувствительности (CTph/ad) наблюдается при ttr/(tdcP+ttr)=0,4. Оптическая ширина запрещенной зоны для полученных в разных режимах пленок лежала в диапазоне 1,8 - 1,85 эВ, причем наблюдалась тенденция роста Eg с увеличением соотношения ttr/Ctdep+ttj). При этом содержание связанного водорода в пленках изменялось от 8 до 15% (ат.). Разработанная технология позволила получить пленки a-Si:H высокого качества с фоточувствительностью, достигающей 107 при энергетической освещенности 20 мВт/см2 (в условиях AMI), что на порядок превосходит значения, достигнутые на мировом уровне.

Важным результатом использования циклического метода осаждения является более высокая стабильность пленок a-Si:H по сравнению с пленками, полученными в непрерывном режиме. Это связано со снижением плотности локализованных состояний в сетке аморфного кремния при циклическом осаждении и уменьшением вероятности возникновения дефектов при длительной засветке. Отжиг в вакууме такой пленки позволяет еще больше повысить ее стабильность. Однако при отжиге происходит эффузия водорода и, следовательно, ухудшение фотоэлектрических характеристик. Происходит уменьшение фотопроводимости, энергии активации и возрастание темновой проводимости, что приводит к падению фоточувствительности на два порядка при температуре отжига 350°С (aph/ad~105), а при температуре отжига 450°С фоточувствительность падает до 102. После отжига при 550°С фоточувствительность практически полностью утрачивается. Следует отметить, что пленки a-Si:H, полученные в циклическом режиме при температуре 350°С, непосредственно после осаждения обладают очень малой фоточувствительностью (aph/0d=6, Еа=0,48 эВ).

Так как одной из целей работы являлось создание ФП, чувствительного в УФ области излучения, была отработана технология и проведены исследования свойств сплавов гидрогенизировашюго аморфного кремния с углеродом (a-Sii.xCx:H), для которых характерно большее значение оптической ширины запрещенной зоны. Сплавы a-Sii_xCx:H осаждались в ранее выбранном непрерывном режиме ПХО из газовой смеси SiH4+CH4+Ar на различные подложки. В качестве варьируемого параметра выступало отношение метана (СН4) к газовой смеси CH4+SiH4, которое изменялось в пределах 0-50%. Различные газовые смеси получались в результате дозируемого разбавления исходной смеси 20%SiH4+80%Ar

другой смесью 10%СН4+90%Аг. Оже-спектрометрические исследования пленок, осажденных при увеличении соотношения парциальных давлений СН4 и газовой смеси (CH4+SÍH4) в пределах от 0 до 50%, показали, что процентное содержание углерода в пленках увеличивается от О до 30%.

Комплексные исследования пленок толщиной 0,4 - 0,6 мкм с различным содержанием углерода показали, что с увеличением парциального давления СН4 наблюдается увеличение ширины запрещенной зоны от 1,7 эВ до 2,2 эВ. Зависимости темновой проводимости и энергии активации пленок a-Si^xCx:H с различным содержанием углерода показывают, что при увеличении процентного содержания углерода до 12 - 15% темновая проводимость падает почти на три порядка, а энергия активации возрастает до 1,2 эВ. При дальнейшем увеличении концентрации углерода темновая проводимость практически остается постоянной, а энергия активации резко падает. По-видимому, это связано со структурным разупорядочением пленок и увеличением эффективной плотности состояний в щели подвижности, особенно при концентрации углерода выше 12 - 15%. Этот результат хорошо коррелирует с зависимостью фоточувствительности пленок a-Si].xCx:H от концентрации углерода, которая достигала максимума при содержании углерода порядка 12% и облучении светом с длиной волны 400 нм и освещенностью 10"3 мВт/см2. Исследования спектральной фоточувствительности пленок показали, что максимум фотопроводимости с увеличением концентрации углерода от 0% до 15% смещается в сторону меньших длин волн от 550 нм до 460 нм.

Наиболее эффективными фотоприемными структурами являются p-i-n структуры, в которых используются легированные слои. Однако традиционно используемые для легирования пленок a-Si:H фосфин и диборан не отвечают современным требованиям экологической чистоты производства. Поэтому рассматривались альтернативные варианты легирования. Так, для получения пленок /»-типа предложено использовать триэтилбор - В(С2Н5)з (ТЭБ). Пленки a-Sii.xCj¡:H<B> осаждались из газовой смеси 20%SiH4+80%Ar и паров ТЭБ. В качестве варьируемого параметра выступала газовая смесь, в которой менялось содержания ТЭБ (от 0 до 4%). Анализ зависимости для аморфных пленок, полученных в

газовой смеси без паров ТЭБ и с парами ТЭБ, показывает, что оптическая ширина запрещенной зоны пленок <x-Sii-xCx:H<B> достигает 2 эВ по сравнению с 1,7 эВ у нелегированной пленки a-Si:H. Это связано с присутствием в легированных пленках значительной концентрации углерода. Согласно Оже - спектрометрическим исследованиям содержание углерода составляет 10 - 12% в пленках, осажденных в газовой смеси, содержащей 3,7% ТЭБ.

Для получения пленок a-Si:H «-типа проводилось введение в них диспрозия. Пленки a-Si:H<Dy> наносились методом магнетронного распыления диспрозиевой фольги толщиной 0,2 мм в газовой смеси 20%SiH4+80%Ar на различные подложки.

Изменение содержания диспрозия в осажденных пленках достигалось путем варьирования давления газовой смеси в пределах от 0,5 до 20 Па. Согласно результатам Оже - спектроскопических исследований, содержание диспрозия в пленках варьировалось от единиц до десятых долей процента, соответственно. Исследование зависимости темновой проводимости и ее энергии активации от процентного содержания диспрозия показало, что при увеличении содержания диспрозия от 0 до 1 % темновая проводимость увеличивается более чем на шесть порядков и достигает 2-Ю"3 (Ом-см)"1, а энергия активации проводимости уменьшается до 0,2 эВ. Для уточнения типа проводимости пленок a-Si:H<Dy> были сформированы объемные гетероструктуры Ti - c-Si - a-Si:H<Dy> - Ti на подложках из монокристаллического кремния КЭФ-5 и КДБ-10 с пленками аморфного кремния толщиной 50 нм и содержанием диспрозия около 1%. Сравнение темновых ВАХ гетероструктур на подложках с различным типом электропроводности, снятых в каждом случае для двух разнополярных напряжений, свидетельствует о том, что для гетероструктур на кремнии и-типа ВАХ практически не зависят от полярности приложенного напряжения. В то же время ВАХ для гетероструктур на кремнии /г-типа проводимости характеризуются явно выраженным эффектом выпрямления, что, по-видимому, можно объяснить образованием р-п перехода вследствие n-типа электропроводности пленки a-Si:H<Dy>.

Применение данных методов легирования пленок аморфного гидрогенизи-рованного кремния позволяет сформировать p-i-n структуру в едином технологическом цикле на установке однокамерного типа.

Третья глава посвящена формированию и исследованию различных фотоприемных структур на основе ранее разработанной технологии получения нелегированных и легированных пленок a-Si:H и его сплавов (табл. 2).

Наиболее простыми в исполнении и дешевыми в массовом производстве являются фоторезисторы (ФР), выполненные на основе нелегированных пленок a-Si:H. В качестве электродов использовались такие материалы, как алюминий, титан, хром, никель, которые наносились методом матнетронного распыления, а также платина, наносившаяся методом ионно-плазменного распыления (ИПР). Формирование рисунка осуществлялось как с помощью свободных масок, так и с применением фотолитографии. Сравнительный анализ темновых ВАХ структур показал, что наилучшими параметрами обладают ФР с алюминиевыми и никелевыми электродами, характеризующиеся наибольшей линейностью ВАХ. Учитывая высокое поверхностное сопротивление пленок a-Si:H, реализовывались фоторезистор-ные структуры с малым коэффициентом формы (0,018 при расстоянии между электродами 200 мкм и 1,55-10"5 при 20 мкм), что обеспечивало приемлемые значения темнового сопротивления.

Особенностью спектров фототока (7ф) для ФР с a-Si:H является достаточно высокая фоточувствительность в коротковолновой области спектра (hv>3 эВ), что, вероятно, связано с проявлением эффекта ударной ионизации (см. рис.2). Исследования световых характеристик показали, что при изменении интенсивности излучения в диапазоне 1-100 мВт/см2 зависимость фототока носит характер, близкий к линейному с коэффициентом неидеальности у=0,97.

Высокая фоточувствительность в области УФ излучения позволяет использовать ФР с пленками a-Si:H в устройстве, обладающем селективной чувствительностью к С области УФ излучения. Детектирование С области ультрафиолетового излучения, которому соответствуют длины волн 200 - 280 нм, затруднено вследствие отсутствия доступных селективных фильтров. Для выделения этого спектрального диапазона используются вторичная люминесценция и внешний фотоэффект, различные косвенные методы или схемотехнические подходы. В данном случае реализовывался схемотехнический подход, суть которого сводится к выделению разностного сигнала от мостовой схемы на фоторезисторах. Относительная спектральная чувствительность (S;.), полученная с помощью разработанного устройства, обладает максимумом на длине волны 230 нм (см. рис. 2).

Лучшие быстродействие и фоточувствительность по сравнению с ФР имеют фотодиоды, из которых наибольший интерес для фотоприемников УФ излучения представляют структуры с БШ. В качестве материала полупрозрачного барьерообра-зующего электрода была выбрана платина, так как она обладает наилучшей физико -химической и технологической совместимостью, а также наибольшей работой выхода, хорошей электропроводностью и высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред. Нанесение полупрозрачных Pt электродов на пленку а-Si.H осуществлялось методом ИПР на установке трехэлек-тродного типа УРМ 3 2790-В через свободные маски. Типичный процесс нанесения полупрозрачного барьерообразующего платинового электрода состоял из двух этапов: очистка поверхности в течении 10 минут при 150°С и токе анода 1 А; нанесение платины при 150°С, напряжении на мишени 0,75 кВ, токе анода 1 А, давлении аргона 0,4-0,6 Па. Средняя скорость роста пленки составляет 3-4 нм/мин. По данным эллипсометрических измерений толщина получаемых слоев составляла 10-20 нм.

Установлено, что отжиг в вакууме в течение 30 минут структур с БШ приводит к увеличению их напряжения холостого хода (i/xx) с 0,4 В до 0,6 В (при осве-

0,01-

400 300 200 X, нм —i-1—s \

ТГ1 гг ГГ*1—Г. 3 4 5 6 hv, эВ

Рис.2

щении AMI). При температурах термообработки более 300°С происходит уменьшение Uxx, а при 400°С структуры практически теряют фоточувствительность. Это объясняется увеличением плотности локализованных состояний в результате эффузии водорода. Таким образом, диапазон оптимальных температур отжига платинового электрода лежит в пределах 200-250°С.

Структуры с БШ могут быть сформированы как на диэлектрических подложках с нижним электродом, так и на гибких металлических лентах. Это позволяет значительно снизить стоимость ФП. Так использование в качестве подложки никелевой фольги в комбинации с пленками ct-Si:H<Dy> позволило получить ФП с высокой фоточувствительностью и практически сто процентным выходом годных. Такое качество получаемых структур на подложке из никелевой фольги, возможно, связано с тем, что диспрозий играет роль геттера, эффективно пассивирующего оборванные связи и иные структурные дефекты в пленке a-Si:H. Поскольку максимум спектральной характеристики такого ФП определяется максимумом чувствительности a-Si:H, соответствующим 550 нм, то для создания на его основе датчика УФ излучения требуется применение светофильтров, выделяющих требуемый участок спектра. В работе использовались фильтр УФС-2 с полосой пропускания 240 -400 нм и фильтр на кварце с пленкой серебра толщиной 20 нм с полосой пропускания 280 - 360 нм. На базе ФП с пленкой a-Si:H<Dy>, осажденной на подложку из никелевой фольги, с использованием фильтра УФС-2 создан датчик УФ излучения с максимумом спектральной характеристики на длине волны 340 нм (см. рис. 4, кривая 2).

Таблица 2

Основные параметры фотоприемных структур с пленками a-Si:H

№ Структура Jk3, mkA/cm при УФ Uxx, В s, А/Вт % годных

1 ситалл-Ti-a-SirH-Pt 0,02 0,6 0,12 80

2 Ni-Dy-a-Si:H<Dy>-a-Si:H-Pt 0,2 0,6 0,3 90

3 Cu-Ti-H-Si-a-Si:H-Pt 0,09 0,3 0,3 90

4 Cu-Ti-w-Si-a-Sii.xCv.H-Pt 0,04 0,3 0,09 60

5 Cu-Ti-«-Si-a-Si:H-a-Sii.xCx:H<B>-Ti 0,1 0,2 0,5 80

6 Cu-Ti-/c-Si-«-Si-a-Si:H-Pt 0,06 0,2 0,2 80

В четвертой главе приведены результаты исследований фотоэлектрических характеристик ФП на основе а-БШ, выполненных на кремниевых подложках, и предложены теоретические модели для описания их свойств.

Следует отметить, что для фотоприемников с барьером Шоттки, рассмот-

ренных выше, в фотодиодном режиме наблюдались большие темновые токи, свидетельствующие о наличии дефектов в сформированных структурах. Одной из возможных причин повышенной дефектности пленок является шероховатость поверхности используемых подложек. Поэтому целесообразно выбирать такие подложки, поверхность которых может быть обработана по высокому классу чистоты. Наибольший интерес с этой точки зрения представляет использование пластин монокристаллического кремния. Действительно, ВАХ базовой структуры Си - "Л - -а-БШ - Р1 характеризуются низким уровнем темновых токов (<3-10"9А) и достаточно высокой фоточувствительностью в вентильном и диодном режимах. Вместе с этим следует отметить, что значения для этих структур оказываются значительно меньше известных из литературы для структур с барьером Шоттки Р1 - а-БШ. В то же время высота барьера, определенная для данной структуры методом вольт-фарадной характеристики, составила 0,8-0,9 эВ, что хорошо согласуется с литературными данными. Для описания такого поведения ФП предложено учитывать потенциальный барьер между монокристаллической кремниевой подложкой и пленкой a-Si.il, включенный встречно по отношению к барьеру 14 - а-БгН. Для описания фотоэлектрических процессов в таких структурах предложена энергетическая диаграмма структуры Р1 - а-ЯШ - с барьером Шоттки (РС - а-БкН) и гетеропереходом (а-81:Н - л-Б!). На основании литературных источников значения разрывов валентной зоны (ВЗ) и зоны проводимости (ЗП) выбраны равными 0,2 эВ и 0,4 эВ, соответственно.

Отмечается, что ВАХ этих структур имели области насыщения при обеих полярностях прикладываемого напряжения, что возможно при наличии встречных переходов. Для описания таких структур предложено использовать модель двух встречно включенных барьеров, позволяющую описать ВАХ следующей формулой:

I = [2!л1^к{ди/2кТ)\^52 ехр(ди/2кТ) + 1,1 ехр(-Чи/2кТ)\, (1)

где и - общее падение напряжения на переходе; ¡¡\ и /¿2 - токи насыщения, описываемые формулами ричардсоновского типа с соответствующими значениями высот барьеров (рб:

13=А'Т2(-Я9,/кТ), (2)

где А* - постоянная Ричардсона; ср6 - высота барьера.

В модели пренебрегается последовательным сопротивлением в структуре. Расчет темновой ВАХ таких ФП по формуле (1) при использовании значения разрыва ВЗ 0,2 эВ и высоты барьера Шоттки сре=0,8 эВ дает хорошее согласие с экспериментом (рис. 3). Расхождения экспериментальной и расчетной зависимостей свидетельствует о наличии в ФП большого последовательного сопротивления, причиной которого могут быть высокоомные области вблизи границ раздела, а

также высокое объемное сопротивление пленки a-Si:H. Попытка увеличения фоточувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра за счет уменьшения толщины пленки а-Si.H не дала положительных результатов. При толщине менее 0,4 мкм снижается эффективность работы ФП в диодном режиме вследствие роста темновых токов, связанного с повышенной дефектностью тонких слоев ct-Si:H. Исследование вольт-фарадных характеристик ФП с топким слоем а-

Si:H показало, что они характеризуются более высокими значениями удельной емкости и имеют куполообразную вольт-фарадную характеристику, что также свидетельствует о наличии двух встречно включенных переходов. Для ряда исследованных структур, характеризующихся, по-видимому, низкой высотой барьера Шоттки, были получены В АХ, в которых Г/хх и /ю в зависимости от длины волны падающего излучения меняли свой знак, что связано с поочередной работой барьеров. Этот факт также свидетельствует о существовании в структуре двух встречно включенных барьеров.

Для увеличения барьера на границе ct-Si:H - Pt перед нанесением платаны производилось формирование диэлектрического слоя SÍO2 толщиной 3-5 нм. Теоретически в рамках диффузионной теории определено, что максимальной высоты барьер Шоттки достигает при толщине слоя SiCb, равной 3 нм, что хорошо согласуется с результатом эксперимента.

Существенным недостатком структур с a-Si:H является фотоиндуцирован-ная деградация. Наряду с отжигом пленок a-Si:H в вакууме, предложено проводить предварительное остаривание фотоприемных структур при их долговременном облучении от высокоэнергетического источника. Для этого использовался лазер ЛГИ-21 (Х.=337 нм). В процессе остаривания структуры №3 (см. табл. 2) в течение 8 часовой засветки значение тока короткого замыкания снизилось на порядок и при дальнейшей экспозиции оставалось постоянным. Последующие систематические исследования тока короткого замыкания этой структуры в течение четырех месяцев не выявили его изменения, превышающего 5%. Это позволяет сделать вывод о том, что свойства структуры удалось стабилизировать.

На рис.4 приведены спектральные характеристики различных фотоприемных структур с <x-Si:H, полученных в ходе работы. Для выше рассмотренной структуры №3 (см. табл.2) представлена спектральная характеристика относительной чувствительности (кривая 3) при работе в диоДном режиме. Отмечается, что фоточувст-

вителыюсть структуры хорошо коррелирует с чувствительностью а-БШ. Чувствительность монокристаллического кремния практически не проявляется, что связано с наличием барьера изотитшого гетероперехода для носителей, генерированных в

Спектральная характеристика фотоприемной структуры №4 со сплавом a-Sii-xC^H характеризуется максимумом на 460 нм (кривая 4), что связано с большой шириной запрещенной зоны, вследствии присутствия в структуре углерода. Возможность получения p-i-n структур в едином цикле на установке однокамерного типа при использовании в качестве у)-слоя пленки a-Si1.xCx:H<B> позволила создать ФП с максимальной фоточувствительностью по сравнению со всеми остальными. Максимум спектральной характеристики такого ФП (кривая 5) в вентильном режиме также смещен в коротковолновую область, что связано с присутствием углерода в структуре.

Для выяснения возможности изменения спектральной чувствительности ФП получена и исследована структура Cu - Ti - ^-Si(KflBlO) - «-Si(K301,0 - 5,0) -a-Si:H - Pt. В ней в качестве подложки использовалась пластина монокристаллического кремния р-типа с эпитаксиальным слоем и-типа. Наиболее интересным результатом, полученным при исследовании этой структуры, является изменение знака фототока в зависимости от длины волны падающего излучения. На рис.5 (кривая 1) приведена спектральная характеристика для этой многослойной ГС, снятая в режиме короткого замыкания. Подобное поведение указывает на поочередную работу барьеров в такой структуре, аналогичную рассмотренной ранее для простых структур с a-Si:H. Установлено, что при приложении обратного, относительно барьера Шотгки, напряжения к таким ФП происходит модификация их спектральных зависимостей при повышении напряжения. Это связано с понижением высоты одного барьера и увеличением высоты другого (см. рис. 5, кривая 2 при

c-Si.

£/обр=0,5 В).

tyl/фпах! »О-1 Г\

Si.%

2

4 5 3

1. режим КЗ

2. í/„б„"0,5 В

1200 Х,нм

200 300 400 500 $00 1,ам

Рис.4

Рис. 5

В заключении изложены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан и оптимизирован технологический режим формирования нелегированных пленок a-Si:H методом ПХО в установке однокамерного типа. С его помощью впервые получены пленки a-Si:H с фоточувствительностью, достигающей Ю7 (при условиях освещения AMI), и характеризующиеся повышенной стабильностью.

2. Отработаны методы получения легированных пленок a-Si:H: /»-типа - при замене традиционного диборана триэтилбором и я-типа - при замене фосфина диспрозием, позволяющие улучшить экологические условия производства. В едином цикле с использованием установки однокамерного типа получены эффективные фоточувствительные p-i-n структуры.

3. Разработана технология получения сплавов a-Sij.xCx:H; при содержании углерода 15% ширина запрещенной зоны в них составляет 2,1 эВ, а значение фоточувствительности составляет 102 при условиях освещения AMI. Увеличение содержания углерода в пленках более 15% приводит к структурному разупорядочению пленки и снижению фоточувствительности.

4. Экспериментально показано, что отжиг в вакууме в течении 30 минут при температурах 200-250°С структур с барьером Шоттки приводит к увеличению высоты потенциального барьера, напряжения холостого хода и, как следствие, — повышению фоточувствигельности структур.

5. Теоретически показано, что вольт-амперные характеристики фотоприемных гетероструктур на монокристаллических кремниевых подложках с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки адекватно описываются в рамках модели двух встречно включенных барьеров, учитывающей гетеропереход c-Si-a-Si:H.

6. В рамках диффузионной теории исследовано влияние слоя оксида кремния на вольт-амперную характеристику фотоприемника с барьером Шоттки при условиях освещения AMI. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что для получения максимальной высоты барьера Шоттки оптимальная толщина слоя SiOi равна 3 нм.

7. Предварительное восьмичасовое остаривание в условиях интенсивного освещения готовых фотоприемников позволяет стабилизировать их параметры. Изменение тока короткого замыкания остареной структуры за четыре месяца не превысило 5%.

8. Разработаны и изготовлены различные типы фотоприемных структур на основе пленок a-Si:H: гетероструктуры с пленкой a-Si:H, осажденной на кремниевую подложку с эпитаксиальным слоем, с изменяемой чувствительностью в видимой части спектра; датчики А и В областей УФ излучения со спектральной чувствительностью 0,3 А/Вт, низкой стоимости, на основе структур с БШ и пленкой a-Si:H<Dy>, выполненные на подложке из никелевой фольги; на базе фоторези-

сторных структур с a-Si:H создано устройство, обладающее селективной чувствительностью к С области УФ излучения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Афанасьев В.П., Богданов A.A., Сазанов А.П. Фотоприемники на основе гетеро-структур с аморфным гидрогенизированным кремнием // Современные материалы и методы исследований микроэлектроники и оптоэлекгроники / Изв.ГЭТУ.Сб.науч.трудов- С.-Пб.: 1996.-Вып.495.-С.84-89.

2. Богданов A.A. Модельные представления для описания гетероструктур с аморфным гидрогенизированным кремнием // Перспективные материалы и приборы оптоэлектроники и сенсорики. / Изв.ГЭТУ.Сб.науч.трудов,- С.-Пб.:1998,-Вьш.517.-С. 120-125.

3. Афанасьев В.П., Богданов A.A. Фотоприемная система для С - области ультрафиолетового излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния /У Физика твердого тела и твердотельная электроника. / Изв.СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,-С.-Пб.: 1999.-Вып. 1.-С.56-58.

4. Афанасьев В.П., Богданов A.A., Гудовских A.C., Сазанов А.П. Фотоприемные структуры различных типов на основе a-Si:H // Всероссийский симпозиум с участием ученых из стран СНГ «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкг-петербург, 5-9 июля 1998г. Тезисы докладов.-С.-Пб.: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, 1998.-С.130.

5. Афанасьев В.П., Богданов A.A., Гудовских A.C., Сазанов А.П. Формирование фотопреобразователышх структур на аморфном гидрогенизированном кремнии // Всероссийская конференция «Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств», Москва, 17-19 ноября 1999г. Тезисы докладов.-М.: ИОНХ РАН, 1999.-С.80.

6. Богданов A.A. Фоточувствительные многослойные гетероструктуры с аморфным гидрогенизированным кремнием // Научная молодежная школа «Твердотельные датчики». Тезисы докладов. 23 - 25 ноября 1998., Санкт - Петербург.-С.-Пб.:ИПЦСПбГЭТУ, 1998.-С.-8.

7. Богданов A.A. Роль промежуточных слоев в поверхностно-барьерных структурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния // 2-я Научная молодежная школа «Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлек-троники». Тезисы докладов. 2-4 ноября 1999., Санкт - Петербург.-С.-Пб.:ИПЦ СПбГЭТУ, 1999.-С.-17.

8. Афанасьев В.П., Богданов A.A., Гудовских A.C., Сазанов А.П. Фоточувствительные гетероструктуры с аморфным гидрогенизированным кремнием // Вторая Российская конференция по материаловедению и физико - химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний 2000». Тезисы докладов. 9-11 февраля 2000 г., Москва. - МИСиС, 2000.-С.335.

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1. Аморфный гидрогенизированный кремний: технология 13 получения, структура, свойства, фотоприемные устройства на его основе

1.1. Технология получения пленок аморфного гидрогенизированного 13 кремния

1.1.1. Получение пленок аморфного гидрогенизированного крем- 14 ния методом плазмохимического осаждения

1.1.2. Метод распыления

1.1.3. Химическое осаждение из газовой фазы и другие методы 19 осаждения пленок аморфного гидрогенизированного кремния

1.1.4. Легирование пленок аморфного гидрогенизированного 21 кремния

1.2. Особенности структуры и свойства аморфного гидрогенизиро- 26 ванного кремния

1.2.1. Представления об электронных состояниях в аморфном 26 гидрогенизированном кремнии. Модели энергетических состояний

1.2.2. Электрофизические свойства аморфного гидрогенизиро- 32 ванного кремния

1.2.3. Оптические и фотоэлектрические свойства аморфного 36 гидрогенизированного кремния. Фотоиндуцированная деградация пленок (эффект Стэблера-Вронского)

1.3. Фотоприемные структуры с аморфным гидрогенизирован- 42 ным кремнием

1.3.1. Фоторезисторные структуры

1.3.2. Фотодиодные структуры

В настоящее время трудно представить отрасль современной техники, в которой не использовались бы различные сенсорные устройства. Значение датчиков, реагирующих на свет и температуру, давление и влажность, растет с каждым днем. Однако, несмотря на значительный прогресс в области материаловедения, технологии и схемотехники, существует ряд нерешенных задач в области создания эффективных чувствительных элементов. Одной из насущных проблем современной твердотельной электроники является получение датчиков, обладающих высокой чувствительностью в области ультрафиолетового (УФ) и видимого излучения. Среди областей применения таких датчиков можно отметить металлургию и микроэлектронную технологию, экологию и медицину, животноводство и сельское хозяйство, военную технику и метрологию и другие.

Обычно используемые для этих целей монокристаллические широкозонные полупроводники, такие как SiC и GaP, обладают достаточно высокой стоимостью, что оправдано в прецизионных сенсорах, но неприемлемо в случае массового производства. Отдельного внимания заслуживает нитрид алюминия A1N, ширина запрещенной зоны которого достигает 6,2 эВ. Однако технология его получения еще недостаточно разработана и в литературе нет данных об использовании этого материала в фотоприемниках (ФП) коротковолнового излучения [1].Компромисс между стоимостью и электрофизическими параметрами может быть найден при использовании такого материала, как аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H).

Пленки a-Si:H впервые были получены и исследованы Читтиком и др. в 1969 году, но роль водорода в этом материале была оценена лишь в 1975 году. Первые электронные устройства на основе a-Si:H были созданы в 1974 году сотрудниками лаборатории RCA, а в 1975 году Спир и Ле-Комбер опубликовали результаты подробных исследований легирования a-Si: H путем введения в него примесей замещения. Первая же работа, посвященная созданию прибора на a-Si:H, появилась в 1976 году [2].

Установлено, что оптическое поглощение a-Si:H превышает в 20 раз оптическое поглощение в кристаллическом кремнии. Характер оптического поглощения в a-Si:H напоминает характеристику кристалла с прямозонной структурой при ширине запрещенной зоны 1,6 - 1,7 эВ [3]. В пленках a-Si:H имеет место эффект ударной ионизации, что обусловливает их высокую фоточувствительность в области УФ излучения [4]. Помимо этого у a-Si;H есть следующие преимущества перед кристаллическими материалами, такими как Si, SiC и GaP:

• применение a-Si:H снимает ограничение площади чипа размерами кристалла, неизбежное при использовании кристаллических полупроводников, а существующие промышленные технологии позволяют получать

6 2 тонкопленочные многослойные структуры с площадью 10 см ;

3 2

• плотность макродефектов в пленках a-Si:H (10 см ) на три порядка меньше, чем в монокристаллическом кремнии, а сплошность слоев сохраняется даже при толщинах в 5 нм;

• процесс получения пленок a-Si:H является низкотемпературным (ниже 300°С), что позволяет использовать более дешевые подложки и снижать стоимость ФП в целом;

• свойства пленок a-Si:H могут быть целенаправленно изменены в очень широких пределах посредством легирования, то есть возможно создание р-п перехода;

• материал стабилен на воздухе.

Однако, несмотря на более чем двадцатилетнюю историю использования a-Si:H, вопросы получения качественного материала с высокой воспроизводимостью и стабильностью параметров для сенсорных применений до сих пор не решены.

Для создания эффективных фотоприемных структур необходимы пленки a-Si:H с высокой фоточувствительностью, у которых отношение фотопроводимости aPh к темновой проводимости аа было бы не ниже 104 [5], Это требует дополнительных усилий в совершенствовании технологии получения пленок на базе наиболее распространенного метода - плазмохимиче-ского осаждения (ПХО) [1], а также в исследовании возможности формирования в едином технологическом цикле различных сплавов a-Si:H, в частности с большей шириной запрещенной зоны для увеличения чувствительности в коротковолновой части спектра, и легированных слоев a-Si:H для создания р-\-п структур. Кроме того, несомненный интерес представляют фоточувствительные гетероструктуры с пленкой a-Si:H на монокристаллическом кремнии [6].

Для получения высоких значений по быстродействию и фоточувствительности в УФ и видимом диапазонах наиболее перспективными являются фотоприемники с барьером Шоттки (БШ) [5]. При их формировании необходимо решить проблемы создания воспроизводимого контакта металл-oc-SrH с максимальной высотой потенциального барьера. В настоящее время отсутствуют модели для описания характеристик многослойных фотоприемников на основе a-Si:H с барьером Шоттки и гетеропереходом.

Целью данной работы является разработка технологии формирования нелегированных и легированных пленок a-Si:H с использованием метода циклического осаждения; проведение комплексных исследований параметров пленок и структур на их основе, полученных в разных технологических режимах; создание на основе пленок oc-Si:H фотоприемников УФ и видимого диапазонов излучения разных типов с различными спектральными характеристиками.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- разработка технологического режима формирования нелегированных пленок a-Si:H методом циклического плазмохимического осаждения на базе технологического комплекса однокамерного типа;

- с целью повышения экологической чистоты производства разработка методов получения легированных пленок oc-Si:H я-типа и р-типа при замене традиционных фосфина и диборана диспрозием и триэтилбором (ТЭБ), а также рассмотрение возможности формирования в установке однокамерного типа в едином цикле p-i-n гетероструктур;

- отработка режимов получения сплавов a~Si:H с углеродом различного состава, исследование влияния углерода на фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H, в том числе на их спектральные характеристики;

- сравнительный анализ методов формирования барьерообразующих платиновых электродов для фотоприемников (ФП) с барьером Шоттки на основе a-Si:H;

- теоретический анализ фоточувствительных гетероструктур на монокристаллических кремниевых подложках с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки;

- создание на базе пленок a-Si:H различных фотоприемников, эффективно работающих в А и В областях УФ излучения, а также в видимой части спектра;

- разработка фотоприемной системы, обладающей селективной чувствительностью в С области УФ излучения;

- исследование возможности повышения стабильности параметров фотоприемных структур на основе пленок a-Sí:H.

Научная новизна работы:

1. Разработанный метод циклического ПХО с отжигом в водородной плазме позволяет получить пленки a-Si:H с высокой фоточувствительностью j tfph/dd~10 (при условиях освещения AMI), отличающиеся повышенной стабильностью в процессе воздействия излучения.

2. Дополнительная термообработка пленок a-Si:H, полученных методом циклического осаждения, приводит к повышению их стабильности при облучении, причем фоточувствительность пленок остается достаточно высокой (aPh/c7d«105).

3. Установлено, что использование модели двух встречно включенных барьеров позволяет адекватно описать темновые вольт-амперные характеристики гетероструктуры с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки, осажденной на кремниевую подложку.

4. Впервые на базе многослойной структуры с барьером Шоттки на a-Si:H, гетеропереходом на границе c-Si-a-Si:H и р-п переходом в монокристаллической кремниевой подложке получены фотоприемники, изменяющие свою спектральную чувствительность при изменении напряжения на структуре, обратно смещающего барьер Шоттки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Отработана технология циклического плазмохимического осаждения нелегированных пленок a-Si:H, позволяющая достигать п фоточувствительности aPh/<7d~ 1О при условиях освещения AM 1. Показано, что дополнительная термообработка пленок a-Si:H в вакууме повышает их стабильность в процессе облучения.

2. Разработаны фотоприемники с барьером Шоттки на спектральный диапазон 220 - 400 нм, с чувствительностью 0,3 А/Вт, формируемые на никелевой фольге и отличающиеся низкой стоимостью.

3. Разработан и изготовлен датчик с перестраиваемыми параметрами на спектральный диапазон 400 - 1000 нм на базе гетероструктуры с a-Si:H, сформированной на монокристаллической кремниевой подложке с эпитаксиальным слоем.

4. Создано устройство, обладающее селективной чувствительностью к С области УФ излучения с максимумом спектральной характеристки на 230 нм, основанное на выделении разностного сигнала от мостовой схемы на фоторезисторах с a-Si:H.

5. Результаты работы вошли в отчет по НИР ГР/ДП-22 («Разработка научных основ и нетрадиционной технологии получения многослойных структур для эффективных преобразователей солнечной энергии на основе a-Si:H») и были использованы при выполнении грантов Copernicus 1С 15-СТ98-0819 (TIMOC) и Intas № 97-1910. Кроме того, результаты работы использованы в НТП «ТКА» (г. Санкт-Петербург) при создании приборов для измерения оптического излучения УФ диапазона.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование модифицированного циклического осаждения приводит к увеличению концентрации водорода, и, как следствие, ширины запрещенной зоны, наиболее полной пассивации им оборванных связей в сетке аморфного кремния. Это делает возможным получение пленок a-Si:H с отношением aPh/od не хуже 106 (при условиях освещения AMI).

2. Вольт-ампещ1ые характеристики фотоприемных тонкопленочных структур, сформированных на монокристаллических кремниевых подложках осаждением пленки a-Si:H и барьерообразующего платинового электрода, адекватно описываются в рамках модели двух встречно включенных барьеров, учитывающей гетеропереход oSi-a-Si:H.

3. В фотоприемниках на базе многослойной гетероструктуры, выполненной на кремниевой подложке с эпитаксиальным слоем, удается эффективно менять спектральную чувствительность путем изменения напряжения, приложенного к структуре.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах:

• Второй Российской конференции по материаловедению и физико - химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний 2000», МИСиС, Москва, 9-11 февраля 2000 г.;

• Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», ФТИ им. А. Ф. Иоффе СПб, 5 - 9 июля 1998 г.;

• Всероссийской конференции «Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств», ИОНХ РАН, Москва, 17-19 ноября 1999 г.;

• Научных молодежных школах по твердотельной электронике: «Твердотельные датчики» (Санкт - Петербург, 23 - 25 ноября 1998 г.) и «Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники» (Санкт -Петербург, 4-11 декабря 1999 г.);

• Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1997 - 2000 гг.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан и оптимизирован технологический режим формирования нелегированных пленок a-Si:H методом ПХО в установке однокамерного типа. С его помощью впервые получены пленки a-Si:H с фоточувствительностью, достигающей 10 (при условиях освещения AMI), и характеризующиеся повышенной стабильностью.

2. Отработаны методы получения легированных пленок a-Si:H: /мгипа - при замене традиционного диборана триэтилбором и п-типа - при замене фосфина диспрозием, позволяющие улучшить экологические условия производства. В едином цикле с использованием установки однокамерного типа получены эффективные фоточувствительные p-i-n структуры.

3. Разработана технология получения сплавов a-SiixCx:H; при содержании углерода 15% ширина запрещенной зоны в них составляет 2,1 эВ, а значе-ние фоточувствительности составляет 10 при условиях освещения AMI. Увеличение содержания углерода в пленках более 15% приводит к структурному разупорядочению пленки и снижению фоточувствительности.

4. Экспериментально показано, что отжиг в вакууме в течении 30 минут при температурах 200-250°С структур с барьером Шоттки приводит к увеличению высоты потенциального барьера, напряжения холостого хода и, как следствие, - повышению фоточувствительности структур.

5. Теоретически показано, что вольт-амперные характеристики фотоприемных гетероструктур на монокристаллических кремниевых подложках с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки адекватно описываются в рамках модели двух встречно включенных барьеров, учитывающей гетеропереход c-Si-a-Si:H.

6. В рамках диффузионной теории исследовано влияние слоя оксида кремния на вольт-амперную характеристику фотоприемника с барьером Шоттки при условиях освещения AMI. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что для получения максимальной высоты барьера Шоттки оптимальная толщина слоя SÍO2 равна 3 нм.

7. Предварительное восьмичасовое остаривание в условиях интенсивного освещения готовых фотоприемников позволяет стабилизировать их параметры. Изменение тока короткого замыкания остареной структуры за четыре месяца не превысило 5%.

8. Разработаны и изготовлены различные типы фотоприемных структур на основе пленок a-Si:H: гетероструктуры с пленкой oc-Si:H, осажденной на кремниевую подложку с эпитаксиальным слоем, с изменяемой чувствительностью в видимой части спектра; датчики А и В областей УФ излучения со спектральной чувствительностью 0,3 А/Вт, низкой стоимости, на основе структур с БШ и пленкой a-Si:H<Dy>, выполненные на подложке из никелевой фольги; на базе фоторезисторных структур с a-Si:H создано устройство, обладающее селективной чувствительностью к С области УФ излучения.

1. Айвазов А.А., Будагян Б.Г. Неупорядоченные полупроводники. - М.: Высшая школа, 1995. - 352 с.

2. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып. 1. Структура, приготовление и приборы: Пер. с англ./ Под ред. Дж. Джоунопулоса и Дж. Люковски. М.: Мир, 1987. - 363 с.

3. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991.-410 с.

4. Фоточувствительность p-i-n структур и структур с барьером Шоттки на основе a-Si:H в области УФ излучения / Васильев В.А., Мездрогина М.М., Теруков Е.И. и др. // Письма в ЖТФ. 1990. - Т. 16, вып. 1. - С.47-50.

5. Аморфные полупроводники и приборы на их основе / Под. ред. И. Хамакавы. М.: Металлургия, 1986. - 376 с.

6. Андреев А.А., Шлимак И.С. Фотоэлектрические явления в аморфном гидрогенезированном кремнии и преобразователи солнечной энергии // В кн. Фотоприемники и фотопреобразователи. Л.: Наука, 1986. - С.222-252.

7. Коньков О.И. Получение и свойства аморфного гидрированного кремния для тонкопленочных полевых транзисторов: Диссертация на соискание ученой степени канд. физ. мат. наук. - Л.: 1989. - 193 с.

8. Gallagher A. Surface reactions in discharge and CVD deposition of silane // J. Appl. Phys. 1988. - Vol. 63, №7. - P.2406-2413.

9. Bhat P.K. The glow discharge hydrogenated amorphous silicon // J. Non -Cryst. Solids. 1987. - Vol. 97/98. - P.1383-1386.

10. Аморфные и поликристаллические полупроводники: Пер. с нем. / Под. ред. Хейванга В. М.: Мир, 1987.- 160 с.

11. High-rate deposition of a-Si:H films with a separated plasma triode method / Tanaka M., Ninomiya K., Nakamyra N. et al // Jpn. J. Appl. Phys. 1988. -Vol. 27, №1.-P. 14-19.

12. Preparation and properties of a-Si films deposited at high deposition rate under a magnetic field / Ohnishi M., Nishiwaki H., Uchihashi K. et al // Jpn. J. Appl. Phys. 1988. - Vol. 27, №1. - P.40-46.

13. Giamioni I., Musci M. // J. Non Cryst. Solids. - 1985. - Vol. 77/78. - P.743-752.

14. Kate S., Aoki T // J. Non Cryst. Solids. - 1985. - Vol. 77/78. - P.813-816.

15. Kaynov S. Closed chamber chemical vapor deposition: new cyclic method for preparation of microcrystalline silicon films // Jpn. J. Appl. Phys. - 1994. - Vol. 33, №8. - P.4534-4539.

16. Preparation and properties of high-quality a-Si films with a super chamber (separated ultra-high vacuum reaction chamber) / Tsuda S., Tacahama Т., Isomura M. et al // Jpn. J. Appl. Phys. 1987. - Vol. 26, №1. - P.33-38.

17. Афанасьев В.П., Лянгузов А.А., Сазанов А.П. Формирование фотопреобразовательных структур на основе a-Si:H // Петербург, журн. электроники. 1995. № 2. - С.7-16.

18. High-quality wide-gap hydrogenated amorphous silicon fabricated using hydrogen plasma post-treatment / Okamoto S., Hishikawa Y., Tsuge S. et al // Jpn. J. Appl. Phys. 1994. - Vol. 33, №4. - P.1773-1777.

19. Спир У., Jle Комбер П. Фундаментальные и прикладные исследования материала, приготовленного в тлеющем разряде // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1987. Вып. 1. -С.85-155.

20. Пайтс Д. Структурная и химическая характеризация // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1987. Вып. 1. -С. 13-84.

21. Каплан Д. Материал, получаемый методом химического осаждения из газовой фазы // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1987. Вып. 1. - С.226-258.

22. Лей А. Фотоэмиссия и оптические свойства // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1987. Вып. 1. -С.86-216.

23. Стрит Р., Бигельсон Д. Спектроскопия локализованных состояний // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1988. Вып. 2. - С.247-328.

24. Ueda М., Imura Т., Osaka Y. Microcrystallization in p-doped a-Si:H films at high deposition rate // Jpn. J. Appl. Phys. 1987. - Vol. 26, №7. - P.987-990.

25. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела // М.: Наука, 1978. 790 с.

26. Татаринова Л.И. Электронография аморфных веществ. М.: Наука. 1972. -102 с.

27. Жданов Г.С., Илюшин А.С., Никитина С.В. Дифракционный и резонансный структурный анализ. -М.: Наука. 1980. 256 с.

28. Бэкон Д. Дифракция нейтронов / Пер. с англ. М.: Ин. лит. 1957. - 256 с.

29. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел. М., Л.: Гостехиздат. 1952. - 350 с.

30. Davis Е.А., Greaves G. A. Electronic phenomena in поп crystalline semiconductors. Leningrad. 1976. P. 212-220.3 5. Мотт H., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир. 1982. - 662 с.

31. Аморфные полупроводники / Под ред. М. Бродски М.:Мир, 1982. - 414 с.

32. Cohen M.N., Fritzsche Н., Ovshinsky S.R. Simple band model for amorphous semiconducting alloys // Phys. Rev. Lett. 1969. - Vol. 22, № 20. - P. 1065-1068.

33. Davis E.A., Mott N.F. Conduction in non-crustalline materials // Phil. Mag. -1970.-Vol. 22. P.903-922.

34. Anderson P.W. Absense of diffusion in certain random lattices // Phys. Rev. Lett. 1958. - Vol. 109, № 5. - P.1492-1505.

35. Investigation of the density of localised states in a-Si using the field-effect technique / Adler D., Silver M., Madan A., et. al. // J. Appl. Phys. 1980. - Vol. 51, №1. - P.3289.

36. Мотт Н.Д. Проводимость, локализация и край подвижности // В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1988. Вып. 2. - С.217-246.

37. Нагельс П. Электронные явления переноса в аморфных полупроводниках // В кн.: Аморфные полупроводники. М.: Мир, 1982. - С. 146-200.

38. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. Нижний Новгород: Изд. Нижегородского гос. универ. им. Н.И. Лобачевского, 1993. - 490 с.

39. Urbach F. The long-wavelenngth edge of photographical sensetivity and of the electronic absorption of solids. Phys. Rev. Lett. - 1953. - Vol. 92, №5. -P.1324.

40. Кузнецов С.В. Эффект Стеблера Вронского и температурные зависимости фотопроводимости a-Si:Hр-типа // ФТП. - 2000. - Т.34, вып. 6. - С.748-752.

41. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. М.: Мир, 1966. - 192 с.

42. Stabler D.L., Wronskii C.R. Reversible conductivity changes in discharge produced amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 1977. - Vol. 31, №4. - P.292-294.

43. Карлсон Д., Вронски К. Солнечные батареи из аморфного кремния // В кн.: Аморфные полупроводники. М.: Мир, 1982. - С.355-411.

44. Redfield D., Bube R.H. // J. Non Cryst. Solids. - 1989. - Vol. 114, №1. -P.621-623.

45. Matsuura H. // J. Non Cryst. Solids. - 1989. - Vol. 114, №1. - P.60-62.

46. Dersch H., Stuke I., Bechler I. Light-induced dangling bonds hydrogenated amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 1981. - Vol. 38, №6. - P.456-458.

47. Crandall R.S. Deep electron traps in hydrogenated amorphous silicon. // Phys. Rev. Lett. -1981. Vol. 24, №12. - P.7457-7459.

48. Metastable deffects in amorphous silicon alloys / Adler D. et. al. // J. Non -Cryst. Solids. 1984. - Vol. 66, №1. - P.273-278.

49. Reimer J.A., Vaughan R.V. Knights J.C. Photon magnetic resonance spectra of plazma-deposeted hydrogenated amorphous silicon films. // Phys. Rev. Lett. -1980. Vol. 44, №3. - P.193-196.

50. Branz H.M., Silven M. Light-induced metastable deffects in hydrogeneted amorphous silicon: a systemic study // J. Non Cryst. Solids. - 1989. - Vol. 114, №1. - P.639-641.

51. Tsutsumi Y., Uchiyama K., Okamoto H., Hamakava Y. // J. Non Cryst. Solids. - 1989. - Vol. 114, №1. - P.627-629.

52. Kakolios J., Jaksen W.B. Amorphous silicon and related materials / ed. By Fritzsche H., 1989. P.207-245.

53. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 455 с.

54. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио, 1977. - 230 с.

55. Фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H и структур на их основе в УФ области спектра. / Васильев В.А., Волков А.С., Теруков Е.И. // ФТП. -1991. Т. 25, вып. 8. - С.1350-1354.

56. Бонч-Бруевич B.J1., Звягин И.П. и др. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. М.: Наука, 1981. -384 с.

57. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. / Под ред. Стафеева В.И. -М.: Радио и связь, 1984. 215 с.

58. Шарма Б.Д., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы. М.: Советское радио. 1979. - 227 с.

59. Properties and structure of a-SiC:H for high-efficiency a-Si solar cell/ Tawada Y., Tsuge K., Kondo M., et. al. // J. Appl. Phys. 1982. - Vol. 53, №7. -P.5273.

60. Стриха В.И., Кильчицкая С.С. Солнечные элементы на основе контакта металл-полупроводник. СПб.: Э н ергоатомиздат. 1991. - 136 с.

61. Милне А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. -М.: Мир. 1975.-432 с.

62. Стриха В.И. Теоретические основы работы контакта металл-полупроводник. Киев: Наукова Думка. 1984. - 236 с.

63. Электрофизические свойства контактов с барьером Шоттки на аморфном гидрированном кремнии / Андреев А.А., Ильченко В.В., Мездрогина М.М., Стриха В.И. // ФТП. 1988. - Т.22, вып. 3. - С.461-464.

64. Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике. М.: Радио и связь. 1987.-248 с.

65. Thornton J.A., Hedgooth V.L. Transparent conductive Sn-doped indium oxide coating deposited by reactive sputtering with a post cathode // J. Vac. Sci. Technol. 1975. - Vol. 13, №1. - P.117-121.

66. Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon // J. Phys. E.: Sci. Instrum. 1983. - Vol. 16. - P. 1214-1222.

67. Liu X., Tong S., Wag. L. Photoluminescence of nanocrystallites embedded in hydrogenated amorphous silicon films // J. Appl. Phys. 1995. - Vol. 78, №10. -P.6193-6196.

68. Голикова О.А., Казанин M.M. Пленки аморфного гидрированного кремния с повышенной фоточувствительностью // ФТП. 1999. - Т.33, вып. 1.-С.110-113.

69. Структурные особенности и свойства пленок a-Si:H, полученных методом циклического осаждения / Афанасьев В.П., Гудовских А.С., Теруков Е.И. и др. // ФТП. 2000. - Т.34, вып. 4. - С.495-498.

70. A.W. Nevin, Н. Yamagishi, Y. Tawada Improvement of the stability of hydrogenated amorphous silicon by plasma treatment // Jpn. J. Appl. Phys. -1994. Vol. 33, №9. - P.4829-4832

71. Asano A., Ichimura Т., Sakai H. Preparation of highly photoconductive hydrogenated amorphous silicon carbide films with a multiplasma-zone apparatus // J. Appl. Phys. 1989. - Vol. 65, №6. - P.2439-2444.

72. Афанасьев В.П., Васильев В.А. Ультрафиолетовые приемники излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния // Изв.ГЭТУ. Сб.науч.трудов. С.-Пб.:1994. - Вып.471. - С.64-68.

73. Афанасьев В.П., Богданов А.А. Фотоприемная система для С области ультрафиолетового излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния // Физика твердого тела и твердотельная электроника. /Изв.СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С.-Пб.:1999. - Вып.1. - С.56-58.

74. Мездрогина М.М. Трансформирование неупорядоченной структурной сетки и влияние примесей на свойства пленок аморфного гидрированного кремния: Диссертация на соискание ученой степени доктора, физ. мат. наук.-СПб.: 1995.-280 с.

75. Eschrish Н. Et.al. The dependens of a-Si:H/c-Si solar cell generator and spectral respons characteristics on heterojunction band discontinuities // J. Non-Cryst. Solids. 1993. - Vol. 164-166. - P.316-319.

76. C.G.Van de Walle and Yang L.H. Band discontinuities at heterojunction between crystalline and amorphous silicon. // J. Vac. Sci. Technol. 1995. -Vol. 13, №14. - P.215-221.

77. Hu G.Y. and Connell R.F.O. Electronic conductivity of hudrogenated noncrystalline silicon films. // J. Appl. Phys. 1995. - Vol. 78, №15. - P.46-53.

78. Matare H.F. Transport processes of grain boundaries in polycrystalline material under optical illumination. // J. Appl. Phys. 1983. - Vol. 54, №11. - P. 132-138.

79. Богданов А.А. Модельные представления для описания гетероструктур с аморфным гидрогенизированным кремнием // Перспективные материалы и приборы оптоэлектроники и сенсорики. / Изв.ГЭТУ.Сб.науч.трудов. -С.-Пб.:1998. Вып.517. - С.120-125.

80. Ядерно-спектроскопические и фотоэлектрические свойства аморфно-кристаллических гетероструктур / Афанасьева Н.П., Данишевский A.M., Теруков Е.И. и др. // Изв. АН СССР, препринт №1759. 1991. - С.1759-1794.

81. Shur М., Czubatyi W., Madan A. Influence of gap states on basic characteristics of a-Si:H thin film transistors // J. Appl. Phys. 1984 - Vol. 55, №5. - P.3831-3849.