автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Получение и исследование свойств наноразмерных пленочных структур на основе аморфного кремния и его соединений

003451337

На правах рукописи

НЕФЕДОВ Денис Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических науьь п ,/т

У& ОНТ 2008

Саратов 2008

003451337

Работа выполнена в Саратовском филиале Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук, с.н.с. Яфаров Равиль Кяшшафович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

доктор физико-математических наук, профессор

Скрипаль Александр Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «НИИ «Инжект», г. Саратов

Защита состоится « 20 » ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан «/ Ь » октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный научно-технический прогресс в значительной степени определяется развитием электроники, основой которой являются успехи фундаментальных наук, в первую очередь физики твердого тела и физики полупроводников. Последние достижения в этих областях связаны с физикой низкоразмерных структур. На сегодняшний день физика низкоразмерных структур - актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область современной физики твердого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр.

В последнее время интенсивно развиваются технологии создания композитных материалов. Одним из основных достоинств этих технологий является возможность использования принципиально новых подходов в создании искусственных сред - наноматериалов. Эти материалы проявляют уникальные свойства, существенно отличающиеся от свойств вещества в макроскопическом (объемном) состоянии. Особое место занимают материалы, содержащие наноразмерные частицы металлов и полупроводников - «квантовые точки» (КТ). В этих образованиях, в отличие от массивных материалов, отсутствует широкая зонная структура и имеется набор дискретных электронных уровней. Дискретный спектр энергетических состояний наноструктур позволяет относить их к искусственным аналогам атомов, несмотря на то, что кластеры содержат большое число частиц. Изменяя размеры квантовых точек, их форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно получать аналоги многих природных элементов.

Особый интерес представляют системы в виде нанообъектов, заключенных в полупроводниковые матрицы. Наиболее многообещающим методом формирования упорядоченных массивов КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях.

Движущей силой, вызывающей образование массива однородных напряженных островков на кристаллической поверхности, является релаксация упругих напряжений на краях граней и взаимодействие островков посредством напряжений, создаваемых ими в подложке. Релаксация на краях ступеней или граней может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ в случаях роста как согласованных, так и рассогласованных по параметру решетки материалов. Спонтанное формирование на кристаллических поверхностях различных упорядоченных структур, имеющих периодичность, намного большую параметра решетки является

предметом интенсивных теоретических исследований. К другому классу самоорганизованных структур, подходящих для изготовления КТ, относят упорядоченные массивы сильно напряженных «островков» монослойной высоты, спонтанно образующихся в процессе субмонослойного осаждения одного материала на другой, сильно рассогласованный с ним по параметру кристаллической решетки. К сожалению, на сегодняшний день мало изучены механизмы образования наноразмерных объектов на аморфных поверхностях.

Особые надежды возлагаются на аморфные гетероструктуры, на основе которых возможна реализация фотоэлектрических устройств, в частности элементов солнечной энергетики. Неоспоримыми преимуществами аморфных полупроводников являются простота их получения и более дешевая технология в совокупности с более широкой материальной базой и большими площадями нанесения. Особое место среди аморфных материалов занимает аморфный гидрогенизированный кремний и его соединения, прежде всего благодаря более широкому применению его в полупроводниковой оптоэлектронике и солнечной энергетике.

Цель работы. Разработка методики получения с использованием СВЧ плазмы газового разряда низкого давления наноразмерных пленочных структур на основе аморфного кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

Основные задачи исследования:

1. Определение параметров технологического процесса, обеспечивающих наибольшую производительность и равномерность СВЧ плазменной обработки.

2. Получение кремниевых нанокластеров и исследование механизмов их образования на аморфных поверхностях с различной энергией связи на межфазной границе.

3. Получение полупроводниковых аморфных пленок кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

4. Получение и исследование слоистых структур на основе соединений аморфного кремния и нанокластеров кремния.

Методы исследования. Эксперименты по осаждению нанокластеров и тонких пленок кремния проводились на установке СВЧ вакуумно-плазменного осаждения. Измерение распределения индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона от окна ввода СВЧ энергии до каждого положения подложкодержателя осуществлялось с использованием прибора Ш1-8. Для определения размеров и поверхностной плотности нанокластеров применялся атомно-силовой микроскоп Р4-8РМ-МОТ. Толщина и показатель преломления полученных пленок измерялись на лазерном эллип-сометрическом микроскопе ЛЭМ-2М. Для измерения оптических спектров поглощения и отражения использовался двухлучевой спектроанапизатор, собранный на базе монохроматора МДР-23 и интегрирующей оптической

сферы в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм. Структура полученных пленок определялась с помощью рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-4. Измерение спектральной зависимости фототока проводилось на спектрофотометре СФ-26.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности влияния неоднородного внешнего магнитного поля, СВЧ мощности и расстояния между окном ввода СВЧ энергии и обрабатываемой пластиной на равномерность и производительность плазменной обработки. Полученные экспериментальные результаты и закономерности обоснованы в рамках решения диффузионного уравнения Фоккера-Планка с заданными граничными условиями.

2. Определены закономерности образования наноразмерных кластеров кремния в плазме СВЧ газового разряда на некристаллических подложках с различной энергией взаимодействия на межфазной границе. Предложена модель формирования нанокластеров из СВЧ плазмы газового разряда низкого давления на реальных поверхностях в условиях интенсивной низ-коэнергетичной ионной бомбардировки.

3. Установлены закономерности влияния параметров процесса синтеза в высокоионизованной плазме СВЧ газового разряда на оптическую ширину запрещенной зоны и характер спектральных зависимостей фототока в наноразмерных пленках аморфного гидрогенизированного кремния. Показано, что изменение оптической ширины запрещенной зоны гидрогенизированного кремния в зависимости от условий синтеза в СВЧ плазме может достигать 50%, что в 4-5 раз больше, чем ее изменение, которое наблюдалось при использовании других методов синтеза.

4. Определены характер и критичность влияния химического состава плазмы и параметров режима осаждения в высокоионизованной СВЧ плазме низкого давления на оптические свойства и ширину запрещенной зоны аморфных пленок карбида и нитрида кремния различного стехиомет-рического состава. Установлено, что для нитрида кремния, в отличие от карбида кремния, зависимость ширины запрещенной зоны от температуры и электрического смещения тем слабее, чем меньше содержание азота в твердом растворе нитрида кремния.

5. Установлены различия в механизмах переноса носителей заряда и особенностях пропускания света в однородных и слоистых с нанокласте-рами кремния пленочных структурах на основе карбида кремния. Показано, что в однородных структурах карбида кремния перенос носителей осуществляется по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, а в слоистых структурах с нанокластерами кремния как по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, так и по механизму туннельного переноса носителей между электронными уровнями на-нокристаллических кремниевых включений и зоной проводимости карбида кремния при приложении электрических полей порядка 10 В/мкм.

Практическая ценность работы:

1. Определены закономерности влияния технологических параметров режима СВЧ плазменной обработки в неоднородном магнитном поле на ее равномерность и производительность. Показано, что равномерность СВЧ плазменной обработки в диапазоне магнитных полей от 530 до 900 Гссм не зависит от расположения подложки относительно окна ввода СВЧ энергии и величины мощности СВЧ излучения.

2. Разработаны методики синтеза пленок аморфного гидрогенизиро-ванного кремния с управляемой шириной запрещенной зоны, изменяющейся в интервале от 0,9 до 2,1 эВ в зависимости от условий осаждения.

3. Разработаны методики синтеза и управления размерами кремниевых нанокластеров в диапазоне от 1,5 до 4 нм и поверхностной концентрацией до от 5'108до 7'108см'2 на некристаллических подложках с различной энергией связи на границе раздела.

4. Разработаны методики синтеза наноразмерных пленок аморфного гидрогенизированного карбида и нитрида кремния с заданной в пределах их индивидуальных особенностей шириной запрещенной зоны, обеспеченной как изменением их стехиометрического состава, так и путем изменения параметров технологического процесса.

5. Разработана методика получения слоистых наноразмерных пленочных структур на основе аморфного карбида кремния с внедренными слоями кремниевых наноразмерных кластеров.

Положения, выносимые на защиту:

1.В установке СВЧ плазменной обработки существует диапазон магнитных полей и расстояний между подложкой и окном ввода СВЧ энергии, в котором обеспечиваются устойчивый режим генерации плазмы, наибольшая производительность и равномерность плазменной обработки, определяемые параметром интегральной магнитной индукции.

2. Согласно экспериментальным результатам, формирование наноразмерных кластеров кремния с минимальным размером 1,5.. .4 нм и концентрацией от 5-108 до 7'108см'2 на подложках со слабой энергией взаимодействия на межфазной границе может быть осуществлено с использованием СВЧ плазмы низкого давления при степени ее ионизации не менее 5-7%.

3.Изменение знака и величины ускоряющего потенциала на подложко-держателе, а также температуры подложки при получении пленок аморфного гидрогенизированного кремния в СВЧ плазме приводит к изменению содержания в них водорода, что влечет изменение ширины запрещенной зоны и показателя преломления. Изменение ширины запрещенной зоны может достигать 50%, а показатель преломления с ростом температуры подложки увеличивается на 8-10%.

4. Увеличение доли содержания кремния в пленках аморфного нитрида и карбида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, при этом рост температуры осаждения не оказывает влияния на ширину

запрещенной зоны пленок карбида кремния, а для пленок нитрида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны на 5-8%. Пленки нитрида кремния с 20% содержанием кремния, полученные при отрицательном потенциале, имеют большую ширину запрещенной зоны, чем пленки того же состава, полученные при положительном ускоряющем потенциале.

5. Модифицирование аморфной пленочной структуры на основе карбида кремния путем введения в нее наноразмерных кластеров кремния приводит к появлению туннельного эффекта в механизме токопрохождения, кроме того, наличие в структуре нанокластеров кремния смещает максимум оптического поглощения в более коротковолновую область спектра, а значение оптического поглощения на 50% выше, чем для структур без кластеров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Россия, Саратов, 2004, 2006); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники» (Россия, Таганрог, 2004, 2006); конференциях молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Россия, Саратов, 2006, 2007); Первой Всероссийской школе-семинаре «Современные достижения бионаноскопии» (Россия, Москва, 2007), конкурсе молодых ученых им. И.В. Анисимкина (Россия, Москва, 2006), а также на научных семинарах Саратовского филиала Института радиотехники и электроники РАН.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 5 публикациях в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ, и б публикациях в материалах конференций. Результаты работы отражены в отчетах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований, изложена на 141 странице, содержит 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и поставлена цель работы, определены основные задачи исследования, отражены научная новизна полученных результатов, их практическая ценность и апробация.

В первой главе «Синтез и применение наноразмерных структур на основе аморфных полупроводников» рассмотрены различные плазменные методы обработки поверхности, их особенности, достоинства и недостатки. В качестве перспективного метода предложен метод СВЧ плазменного осаждения с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР). Проведен обзор современного состояния физики наноразмерных структур,

рассмотрены методы получения, показаны механизмы их самоорганизованного роста на монокристаллических подложках. Рассмотрена возможность применения аморфных полупроводников, в частности аморфного кремния как материала для аморфных гетероструктур.

Основные методы получения гетероструктур на монокристаллических поверхностях, такие как молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия, хорошо изучены и довольно долго применяются. Но потребности современной технологии таковы, что возникает необходимость создания материалов на достаточно больших площадях, что не могут обеспечить вышеупомянутые методы. Необходимо создание метода с высокой чистотой процесса и возможностью увеличения площади обрабатываемой поверхности. Одним из таких методов является метод, применяющий СВЧ плазму газового разряда низкого давления во внешнем магнитном поле. Неоспоримыми достоинствами этого метода являются: высокая степень ионизации плазмы, высокая плотность плазмы, безэлектродность метода, широкий спектр применяемых материалов.

Одной из центральных проблем создания гетероструктур большой площади является ограниченность размера монокристаллической подложки, что, в свою очередь, вынуждает обратить внимание на некристаллические материалы, которые иной раз оказываются несколько хуже монокристаллических по своим электрофизическим параметрам, но значительно дешевле их и могут быть получены на больших площадях. Одним из таких аморфных материалов является аморфный гидрогенизированный кремний. Аморфный кремний по ряду параметров превосходит монокристаллический и является наиболее перспективным для оптоэлектронных применений, в частности в солнечной энергетике. Электрофизические параметры аморфного кремния сильно зависят от концентрации содержащегося в нем водорода и структуры, которую он образует с кремнием, поэтому для управления количеством водорода, содержащегося в пленках, необходимо применение такого метода осаждения, который позволит, варьируя параметрами процесса, изменять характеристики материала. В качестве такого метода может выступать метод, применяющий СВЧ плазму газового разряда во внешнем магнитном поле, который обладает целым спектром изменяемых параметров.

Формирование наноразмерных структур на монокристаллических поверхностях хорошо изучено и теоретически описано. Механизмы, описывающие образование наноструктур, имеют применение для различных типов подложек, определяемых энергией связи на межфазной границе. Исходя из степени взаимодействия адсорбированных атомов и подложки, как правило, выделяют три механизма образования наноструктур: механизм Странского-Крастанова, механизм Фольмера-Вебера, механизм Франка и Ван дер Мерве. К сожалению, исследованию процессов образования наноструктур на аморфных поверхностях уделено недостаточно внимания, хотя

понимание процессов, происходящих на аморфной подложке, может серьезно расширить спектр применения аморфных структур с наноразмерными включениями.

Во второй главе «Исследование влияния технологических параметров на условия СВЧ вакуумно-плазмеииой обработки» проведено исследование физических механизмов, отвечающих за эффективность СВЧ плазменной обработки. Экспериментальные исследования проводились на установке СВЧ вакуумно-плазменной обработки. Установка представляет собой систему, состоящую из ступенчатого плазмотрона, магнетрона с рабочей частотой 2,45 ГГц, двух соленоидов, создающих внешнее магнитное поле вокруг плазмотрона, системы вакуумной откачки. Для регистрации тока плазмы, зависящего от параметров процесса, в плазмотрон установки был помещен измерительный коллектор диаметром 150 мм с размещенными на нем осесимметричными токопроводящими кольцами равной площади. Изменяемыми параметрами процесса являлись: величина магнитного поля, задаваемая токами соленоидов, уровень СВЧ мощности и расстояние от окна ввода СВЧ энергии. В качестве измеряемого параметра выступало распределение плотности тока по площади коллектора. Величина и распределение индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона регулировались изменением токов в секциях соленоида. На основании измеренного распределения индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона в зависимости от токов соленоидов, для однозначной характеризации конфигурации магнитного поля был введен параметр интегральной магнитной индукции (1 ):

S4 = jB(x)&, (I)

о

где В(х) - индукция убывающего в направлении распространения СВЧ излучения магнитного поля, измеренная вдоль оси плазмотрона, L = 17, 22 и 27 см. Выбор параметра Sl обусловлен тем, что он влияет на обобщенный коэффициент диффузии заряженных частиц поперек магнитного поля и характеризует, таким образом, в каждом случае интегральное удержание плазмы внешним магнитным полем независимо от его конкретной конфигурации и расстояния L.

Из распределения плотностей тока были рассчитаны диаметр обработки D с равномерностью не менее 90% и производительность обработки П в зависимости от параметра SL (рис. 1). Характерной особенностью зависимостей диаметра равномерной обработки и производительности от величины параметра Sl является наличие трех областей, определяемых величиной магнитного поля:

1-я область (Sl < 530 Гсхм), область слабых магнитных полей, характеризуется отсутствием ЭЦР и невоспроизводимыми параметрами процесса, в силу неустойчивого горения плазмы, вызванного малыми значениями магнитного поля;

2-я область (Sl - 530-900 Гстм), область полей, обеспечивающих процесс устойчивого горения плазмы с воспроизводимой величиной диаметра равномерной плазменной обработки;

3-я область (St > 900 Гсхм), область сильных магнитных полей, в которых электромагнитная волна распространяется без затухания, что, в свою очередь, приводит к неустойчивому процессу горения плазмы или вовсе к невозможности ее существования.

Анализ полученных экспериментальных данных проведен на основании диффузионного уравнения Фоккера-Планка:

а б

Рис. 1. Зависимость диаметра D (а) и производительности П (б) СВЧ плазменной обработки от параметра Sl для расстояний между коллектором и окном ввода СВЧ энергии: L = 17 см и различных значений мощности (Р) СВЧ излучений: ♦ - Р = 250 Вт; ■ - Р = 280 Вт; А - Р = 320 Вт

+ = (2)

где D(r) - эффективный коэффициент поперечной диффузии; г - радиус плазмотрона; п(г) - концентрация электронов; v (г) - превышение частоты ионизации над частотой столкновигельной рекомбинации; s0(r) - количество электронов, возникающих в единицу времени в окрестности точки (г, z), т.е. интенсивность ионизации под влиянием внешнего источника - ЭЦР.

Из решения уравнения (2) получено выражение для радиуса равномерной плазменной обработки:

г0=(л/АЫа+[5/й(0)]С(г0)}. (3)

Уравнение (3) показывает, что на радиус обработки влияют величина источника ионизации S и концентрация заряженных частиц плазмы п(0). Остальные составляющие уравнения в данных условиях являются величинами постоянными. На основании уравнения (3) проведена качественная оценка полученных экспериментальных результатов.

Tax с увеличением мощности увеличивается интенсивность ионизации S, то есть повышается удельная мощность СВЧ излучения в единице объёма и, как следствие, образуется больше заряженных частиц, что приводит к увеличению плотности тока на поверхности обрабатываемой пластины, то есть повышается энергетическая эффективность плазменного

воздействия (увеличивается производительность).

В случае увеличения расстояния удельная мощность СВЧ излучения в единице объема плазмотрона экспоненциально уменьшается вследствие её интенсивного поглощения электронной компонентой, поэтому интенсивность ионизирующего воздействия СВЧ излучения падает с ростом расстояния и, как следствие, снижается энергетическая эффективность плазменного воздействия, то есть падает производительность.

Независимость радиуса обработки от расстояния объясняется тем, что концентрация заряженных частиц прямо пропорциональна интенсивности ионизации. Поэтому отношение Б/п(0) остаётся практически неизменным. Так как на радиус равномерной обработки оказывают влияние только Б и п(0) и данное соотношение постоянно, то и радиус обработки оказывается практически неизменным, что подтверждают экспериментальные данные.

В третьей главе «Исследование формирования нанокластеров на аморфных поверхностях с различной энергией связи на межфазной границе» представлены экспериментальные результаты по исследованию механизмов формирования кремниевых нанокластеров на аморфных подложках. Показано влияние технологических параметров на размеры и поверхностную концентрацию кремниевых нанокластеров.

Изучение поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии показало, что осажденные кластеры представляют собой наноразмерные структуры с произвольным распределением на поверхности (рис. 2).

Получены данные о формировании наноразмерных кластеров на поверхности со слабой энергией связи на межфазной границе в зависимости от времени осаждения при различных давлениях плазмообразующего газа (рис. 3). Результаты зондовых измерений величин наноразмерных выступов до и после осаждения кремния в плазме СВЧ газового разряда интерпретированы как «заращивание» кремниевым конденсатом углублений исходного рельефа подложки. Показано, что образующиеся наноразмерные островки кремния обладают миграционной способностью. Движущей силой процесса является стремление системы к минимуму свободной энер-

2500

1500

1М0 500

1000 г000 заде 1000

Рис. 2. АСМ изображение кремниевых нанокластеров

и, нм 5 4

3 2 1

20

30

и

40

50

Рис. 3. Зависимости среднего размера микровыступов кремния от времени осаждения при различных давлениях моносилана в плазме СВЧ газового разряда (1 - Р = 0,1 Па; 2 - Р = 0,5 Па; 3 -Р=1 Па)

гии, основными слагаемыми которой являются поверхностная энергия и энергия упругих деформаций. Когда островки возникают, то сразу же становятся источниками упругих полей, которые начинают взаимодействовать с полями упругих напряжений в подложке, что способствует их миграции по поверхности в поисках минимума потенциального рельефа поверхности.

С увеличением температуры подложки увеличиваются коэффициент диффузии адатомов и размер зон захвата. В результате этого уменьшается частота зародышеобразования и сразу же после образования критический зародыш начинает расти, присоединяя к себе адатомы, мигрирующие по поверхности подложки в поисках области с сильной связью. Вследствие этого скорость заращивания углублений рельефа увеличивается. Спонтанное образование наноостровков кремния в начале процесса осаждения увеличивает концентрацию микровыступов на подложке. Однако быстрый последующий латеральный рост наноостровков за счет интенсивной поверхностной диффузии вызывает их коалесценцию и уменьшение концентрации. Таким образом, для уменьшения разброса в размерах нанокристалли-тов в результате неконтролируемого латерального их роста и коалесцен-ции процесс должен проводиться при наиболее низкой температуре подложки.

При осаждении кремниевых островков на кремниевую пленку заращивания углублений рельефа поверхности кремниевой пленки не происходит. В данном случае, как и следовало ожидать, реализуется механизм, подобный механизму Франка и Ван дер Мерве на монокристаллической подложке, характерный для гетерогенной кристаллизации пленки на подложке с сильной связью на межфазной границе. Микротопография такой эпитаксиальной пленки определяется структурой и микротопографией исходной поверхности подложки.

При осаждении кремния на пленки карбида кремния размер нановы-ступов и характер их зависимостей от времени зависят как от стехиомет-рического состава, т. е. от рассогласования параметров кристаллических решеток осаждаемого материала и подложки, так и от температуры получения материала подложки. Чем больше различие параметров кристаллических решеток и ниже температура получения материала подложки, т.е. чем выше уровень упругих напряжений на границе раздела, тем больше максимальный размер образующихся нанокластеров кремния и тем ближе механизм их формирования к самоорганизации через заращивание углублений потенциального рельефа поверхности. На пленках карбида кремния, полученных в более термодинамически равновесных условиях и имеющих минимальные рассогласования параметров кристаллических решеток с материалом осаждаемых нанокристаллитов, размер формирующихся нанок-ристаллитов меньше и находится на уровне средней высоты нановыступов этой пленки. Таким образом, решающим для самоорганизации и размера

нанокластера являются величины упругих напряжений в подложке.

В четвертой главе «Получение и исследование пленок аморфного кремния и его соединений» показано влияние технологических параметров на характеристики пленок аморфного кремния и его соединений. Установлены закономерности влияния параметров процесса синтеза аморфного гидрогенизированного кремния в высокоионизованной плазме СВЧ газового разряда на ширину запрещенной зоны, фототок, показатель преломления. Изменение ширины запрещенной зоны Eg в зависимости от условий синтеза в СВЧ плазме может достигать 50%, что в 4 -5 раз больше, чем изменение Eg, которое наблюдалось при использовании других методов синтеза, а изменение показателя преломления может достигать 8-10%.

Показано, что подача на образец положительного смещения приводит к уменьшению поступления из плазмы положительных ионов водорода в растущую пленку и увеличению интенсивности бомбардировки ее поверхности отрицательными ионами и электронами. Рост пленки осуществляется за счет поступления на ее поверхность атомарного или ионизированного кремния и радикальных групп типа SiH"x, где х = 0,1,2,3, которые могут создавать структуру полимерного типа, содержащую наряду с Si-H цепи SiHî и SiH3. При осаждении на подложку с большей температурой избыточная насыщенность кремния этими радикалами быстро снижается. В результате этого уменьшаются содержание водорода в пленке и ширина запрещенной зоны (рис.4).

При отрицательном смещении, напротив, увеличивается интенсивность бомбардировки поверхности растущей пленки ионами водорода и уменьшается поступление водорода в виде групп SiHî и SiH3. В результате этого, с одной стороны, увеличивается вероятность разрыва поверхностных и относительно слабых связей типа Si-Si, что само по себе приводит к повышению плотности локализованных состояний, а с другой стороны, к увеличению вероятности образования сильных моногидридных связей Si-H, которые более устойчивы к нагреву подложки. В результате образования кремний-водородного сплава оптическая ширина запрещенной зоны увеличивается, а температурный коэффициент изменения Eg при отрицательном смещении оказывается меньшим, чем при положительном смещении.

Перенос в аморфном кремнии может осуществляться путем дрейфа носителей по зонным состояниям или путем прыжков между локализованными состояниями. Прыжковая проводимость наблюдается в негидрогени-

Ея. эВ

2.5

0.5

О -,-----,

0 100 200 300 400

т, °с

Рис. 4. Зависимости ширины запрещенной зоны а-81: Н от температуры осаждения для различных ускоряющих потенциалов

зированном амофрном кремнии, что говорит о большой плотности состояний в запрещенной зоне. В гидрогенизированном аморфном кремнии плотность дефектов настолько уменьшена, что прыжков уже не наблюдается и проводимость считается активационной, принято считать, что в нелегированном материале перенос осуществляется электронами в зонных состояниях на краю запрещенной зоны.

Так, при отрицательном потенциале характерно поступление атомарного водорода на поверхность подложки, что приводит к снижению плотности локализованных состояний в запрещенной зоне и образованию моногидридной группы, то есть имеет место, скорее всего, активационная проводимость. При положительном потенциале поступление водорода сильно уменьшено, а так как оборванные связи не насыщаются, плотность локализованных состояний в запрещенной зоне сильно возрастает, то есть имеет место прыжковая проводимость. Локализованные состояния расположены на разных расстояниях от зоны проводимости, что приводит к различному уровню фототока, протекающему через пленку.

Получены пленки соединений аморфного кремния различного сте-хиометрического состава при различных параметрах синтеза. Так, в пленках карбида кремния, полученных из этанола и моносилана, разложенных в СВЧ плазме, основным фактором, влияющим на ширину запрещенной зоны, является количество кремния, содержащегося в пленке, с ростом содержания кремния ширина запрещенной зоны уменьшается, что, впрочем, очевидно, так как кремний имеет меньшую ширину запрещенной зоны. В то же время температура осаждения не играет особой роли в изменении ширины запрещенной зоны, поскольку связь БЮ является достаточной прочной и повышение температуры не приводит к ее разрыву.

Пленки аморфного нитрида кремния с 20 и 80% содержанием кремния (рис. 5) также показали зависимость ширины запрещенной зоны от параметров нанесения. Увеличение концентрации кремния в пленках нитрида кремния также приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны. Рост температуры нанесения также уменьшает ширину запрещенной зоны, что связано с недостаточной прочностью связи которая рвется с ростом температуры, что приводит к уходу азота из пленок и образованию оборванных связей. Знак подаваемого потенциала влияет на поступление азота из газовой фазы; так, отрицательный потенциал способствует более интенсивно-

Efl. ЗЭ

5D 100 150 200 250 300

Т. "С

Рис. 5. Зависимость ширины запрещенной зоны пленок нитрида кремния в зависимости от температуры и потенциала получения для различных стехиометрических составов

му осаждению атомарного азота, что приводит к увеличению запрещенной зоны, а положительный потенциал, наоборот, затрудняет поступление азота в пленку, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны.

Пятая глава «Получение и исследование слоистых структур на основе нанокластеров кремния в матрице аморфного карбида кремния» посвящена получению и исследованию слоистых структур на основе матрицы аморфного карбида с внедренными в нее нанокластерами кремния (рис. 6).

Перенос носителей заряда в структурах с кластерами и без них был объяснен из измеренных вольт-амперных характеристик (ВАХ) с помощью теории токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОГО). В то же время для структур с кластерами перенос носителей осуществляется не только по механизму ТОПЗ, но также имеет место механизм туннельного переноса носителей между электронными уровнями кремниевых включений и зоной проводимости карбида кремния при приложении сильных электрических полей, порядка 10 В/мкм.

Динамические ВАХ, снятые в диапазоне от 1 до 100 кГц для структур с кластерами и без них, показали, что в структурах без кластеров мак-свелловское время релаксации (МВР) выше пролетного времени, поэтому для этих структур наблюдается более раннее заполнение ловушек и невозможность разрядить их, пока поле меняет знак. В структурах с кластерами МВР меньше, что, по-видимому, связано с тем, что состояния, которые создают кластеры, являются более быстрыми, и они успевают сбросить заряд, пока поле меняет знак.

Также были сняты спектры оптического поглощения для обоих типов структур. Из них было определено, что поглощение света в диапазоне длин волн 350 - 1200 нм различается для структур с кластерами и без них. Так, для структур с нанокластерами значение оптического поглощения по сравнению со структурами без кластеров на 50% больше. Для структур с кластерами максимум оптического поглощения имеет место на длине волны 530 нм, что, скорее всего, связано с поглощением в слое нанокластеров. Аналогичный максимум для структур без кластеров находится на длине волны 550 нм и имеет меньшее значение.

Рис. 6. Схематическое изображение однослойной структуры с кремниевыми кластерами (а) и без кремниевых кластеров (б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определены режимы СВЧ плазменной обработки, обеспечивающие устойчивое протекание процесса и наиболее равномерное распределение заряженных частиц по поверхности подложки и позволяющие достичь максимальной эффективности обработки с равномерностью не менее 90%.

2. Разработана методика получения наноразмерных кремниевых нанок-ластеров размером 1,5...4 нм на аморфных поверхностях с возможностью управления размером нанокластеров в зависимости от материала и шероховатости подложки и параметров процесса.

3. Обнаружено, что образующиеся островки обладают миграционной способностью, а их формирование происходит в местах пониженных механических напряжений, совпадающих с углублениями микрорельефа, и наиболее интенсивно этот процесс протекает при максимальной степени ионизации плазмы (5...7 %), когдз размер островков мал, а их миграционная способность высока.

4. Разработана методика получения пленок аморфного кремния с управляемой в пределах ~50% шириной запрещенной зоны, фототок и показатель преломления которых изменяются в зависимости от условий синтеза.

5. Показано, что определяющими факторами, влияющими на параметры кремниевых пленок, являются концентрация водорода и химическая форма его содержания в пленке, зависящие от условий приготовления пленок.

6. Разработана методика синтеза пленок аморфного карбида и нитрида кремния различного стехиометрического состава с возможностью управления шириной запрещенной зоны пленок путем изменения параметров процесса; обнаружено, что на ширину запрещенной зоны пленок карбида кремния не влияет температура осаждения ввиду прочной связи между атомами кремния и углерода.

7. Получены и исследованы слоистые структуры на основе аморфного карбида кремния с внедренными в него нанокластерами кремния; обнаружено, что токопрохождение в структурах без кластеров описывается на основе теории токов, ограниченных пространственным зарядом, а в структурах с кластерами, помимо ТОГО, имеет место туннелирование частиц между электронными уровнями кремниевых включений и зоной проводимости карбида кремния.

8. Обнаружено, что поглощение света в диапазоне длин волн 3501200 нм различается для структур с кластерами и без них; для структур с кластерами характерно большее значение оптического поглощения и смещение максимума поглощения в более коротковолновую область.

Основные результаты диссертации отражены в следующих печатных работах:

1. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Нефедов Д.В. Миграционное заращивание рельефа поверхности при формировании нанокристаллитов с использованием СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Письма в «Журнал технической физики». - 2007. - Т.ЗЗ. - Вып. 21. - С. 78-84.

2. Нефедов Д.В. Влияние упругих взаимодействий на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Письма в «Журнал технической физики». - 2007. - Т. 33. - Вып. 7. -С. 26-34.

3.Нефедов Д.В. Влияние режима синтеза в неравновесной плазме СВЧ газового разряда на фундаментальные свойства наноразмерного пленочного кремния и его соединений / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров, Д.М. Кульбац-кий, С.И. Семенов // Вестншс Саратовского государственного технического университета. - 2007. - № 4 (29). - Выл. 2. - С. 121-128.

4. Нефедов Д.В. Влияние упругих взаимодействий на самоорганизацию кремниевых нанокристаллитов, полученных в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Нелинейный мир. -2007. - Т.5. - №5. - с. 314-315.

5. Нефедов Д.В. Влияние температуры на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Письма в «Журнал технической физики». - 2008. - Т.34. - Вып. 2. - С. 62-68.

2. Публикации в других изданиях

6. Нефедов Д.В. Влияние взаимодействия СВЧ излучения с плазмой на технологические параметры плазменной обработки / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. -С.334-339.

7. Нефедов Д.В Эффективность ЭЦР СВЧ плазменной обработки / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: тр. девятой Междунар. научн.-техн. конф. -Таганрог: Таганрог, гос. техн. ун-т, 2004. - С.87-90.

8. Нефедов Д.В. Получение и исследование электрофизических свойств аморфных сверхрешеток с квантовыми точками на основе Б^С^Н/пс-БШ / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Актуальные проблемы электронного прибо-

ростроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - С. 339-345.

9. Нефедов Д.В. Самоорганизация кремниевых нанокристаллитов на подложках с различной энергией взаимодействия на межфазной границе / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: тр. девятой Междунар. научн.-техн. конф. -Таганрог: Таганрог, гос. техн. ун-т, 2006. - С.41-44.

10. Нефедов Д.В. Самоорганизация кремниевых нанокристаллитов в неупорядоченных структурах с различной энергией связи на межфазной границе / Д.В. Нефедов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: материалы первой конференции молодых ученых. - Саратов: СФ ИРЭ РАН, 2006. - С. 16-17.

И. Нефедов Д.В. Исследование оптических характеристик тонких пленок аморфного кремния, полученных в СВЧ плазме газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: материалы второй конференции молодых ученых. - Саратов: СФ ИРЭ РАН, 2007. - С.16-17.

НЕФЕДОВ Денис Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ

Автореферат

Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 09.10.08 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 256 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Введение.

1. Синтез и применение наноразмерных структур на основе аморфных полупроводников.

1.1. Методы синтеза наноразмерных структур.

1.2. Формирование наноразмерных структур на монокристаллических подложках и их применение в электронике.

1.3. Особенности аморфных полупроводников и их применение в электронике.

1.4. Выводы и постановка задачи.

2. Исследование влияния технологических параметров на условия СВЧ вакуумно-илазменной обработки.

2.1. Влияние геометрии реактора на равномерность и энергетическую эффективность СВЧ ВПО (гидродинамическое приближение).

2.2. Распространение электромагнитных волн в волноводе установки СВЧ ВПО с продольно намагниченной плазмой.

2.3. Циклотронное поглощение электромагнитных волн в плазме с магнитным полем.

2.4. Скорость и равномерность СВЧ ВПО.

2.5. Экспериментальные исследования равномерности и производительности СВЧ ВПО с ЭЦР.

2.6. Результаты экспериментальных исследований.

2.7. Анализ экспериментальных данных.

2.8. Выводы.

3. Исследование формирования нанокластеров на аморфных поверхностях с различной энергией связи на межфазной границе.

3.1. Формирование тонких пленок.

3.2. Исследование зависимости средней высоты нанокластеров кремния от времени осаждения на подложку со слабой энергией связи.

3.3. Исследование зависимости средней высоты микровыступов и их концентрации от количества циклов осаждения.

3.4. Влияние температуры на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления.

3.5. Исследование зависимости средней высоты нанокластеров от времени осаждения на подложку с сильной связью на межфазной границе.

3.6. Исследование зависимости средней высоты кластеров от времени осаждения на аморфный вЮ различного стехиометрического состава.

3.6. Выводы.

4. Получение и исследование пленок аморфного кремния и его соединенийЮО

4.1. Рентгеноструктурный анализ и ИК-спектроскопия пленки кремния.

4.2. Получение и исследование пленок аморфного кремния.

4.3. Проводимость в пленках аморфного кремния.

4.4. Получение и исследование пленок аморфного карбида и нитрида кремния различного стехиометрического состава.

4.5. Выводы.

5. Получение и исследование слоистых структур на основе нанокластеров кремния в матрице аморфного карбида кремния.

5.1. Исследование статических В АХ слоистых структур на основе аморфного Б^гСо,« и нанокластеров кремния.

5.2. Исследование динамических характеристик слоистых структур.

5.3. Исследование спектральных характеристик слоистых структур.

5.4. Выводы.

Актуальность темы. Современный научно-технический прогресс в значительной степени определяется развитием электроники, основой которой являются успехи фундаментальных наук, в первую очередь физики твердого тела и физики полупроводников. Последние достижения в этих областях связаны с физикой низкоразмерных структур [1]. На сегодняшний день физика низкоразмерных структур - актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область современной физики твердого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. [2].

В последнее время интенсивно развиваются технологии создания композитных материалов. Одним из основных ее достоинств является возможность использования принципиально новых подходов в создании искусственных сред - наноматериалов. Эти материалы проявляют уникальные свойства, существенно отличающиеся от свойств вещества в макроскопическом (объемном) состоянии. Особое место занимают материалы, содержащие наноразмерные частицы металлов и полупроводников — «квантовые точки» [3, 4, 5]. В этих образованиях, в отличие от массивных материалов, отсутствует широкая зонная структура и имеется структура минизон или набор дискретных электронных уровней. Дискретный спектр энергетических состояний наноструктур позволяет относить их к искусственным аналогам атомов, несмотря на то, что кластеры содержат большое число частиц. Изменяя размеры квантовых точек, их форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно получать аналоги многих природных элементов [6].

Особый интерес представляют системы в виде нанообъектов, заключенных в полупроводниковые матрицы. Наиболее многообещающим методом > формирования упорядоченных массивов КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях.

Движущей силой, вызывающей образование массива однородных напряженных островков на кристаллической поверхности, является релаксация упругих напряжений на краях граней и взаимодействие островков посредством напряжений, создаваемых ими в подложке [7, 8]. Релаксация на краях ступеней или граней может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ в случаях роста как согласованных, так и рассогласованных по параметру решетки материалов [9]. Спонтанное формирование на кристаллических поверхностях различных упорядоченных структур, имеющих периодичность, намного большую параметра решетки является предметом интенсивных теоретических исследований. К другому классу самоорганизованных структур, подходящих для изготовления КТ, относят упорядоченные массивы сильно напряженных «островков» монослойной высоты, спонтанно образующихся в процессе суб-монослойного осаждения одного материала на другой, сильно рассогласованный с ним по параметру кристаллической решетки [10]. К сожалению, на сегодняшний день совершенно не изучены механизмы образования наноразмерных объектов на аморфных поверхностях.

Особые надежды возлагаются на аморфные гетероструктуры, на основе которых возможна реализация фотоэлектрических устройств, в частности элементов солнечной энергетики [11]. Неоспоримым преимуществом аморфных полупроводников является простота их получения и более дешевая технология, в совокупности с более широкой материальной базой и большими площадями нанесения [12]. Особое место среди аморфных материалов занимает аморфный гидрированный кремний и его соединения, прежде всего благодаря, все более широкому применению его в полупроводниковой электронике и солнечной энергетике [13].

Цель работы. Разработка методики получения с использованием СВЧ плазмы газового разряда низкого давления наноразмерных пленочных структур на основе аморфного кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

Основные задачи исследования:

1. Определение параметров технологического процесса, обеспечивающих наибольшую производительность и равномерность СВЧ плазменной обработки.

2. Получение кремниевых нанокластеров и исследование механизмов их образования на аморфных поверхностях с различной энергией связи на межфазной границе.

3. Получение полупроводниковых аморфных пленок кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

4. Получение и исследование слоистых структур на основе соединений аморфного кремния и нанокластеров кремния.

Методы исследования. Эксперименты по осаждению нанокластеров и тонких пленок кремния проводились на установке СВЧ вакуумно-плазменного осаждения. Измерение распределения индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона от окна ввода СВЧ энергии до каждого положения подложкодер-жателя осуществлялось с использованием прибора Ш1-8. Для определения размеров и поверхностной плотности нанокластеров применялся атомно-силовой микроскоп Р4-8РМ-МБТ. Толщина и показатель преломления полученных пленок измерялись на лазерном эллипсометрическом микроскопе ЛЭМ-2М. Для измерения оптических спектров поглощения и отражения использовался двухлучевой спектроанализатор, собранный на базе монохроматора МДР-23 и интегрирующей оптической сферы в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм. Структура полученных пленок определялась с помощью рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-4. Измерение спектральной зависимости фототока проводилось на спектрофотометре СФ-26.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности влияния неоднородного внешнего магнитного поля, СВЧ мощности и расстояния между окном ввода СВЧ энергии и обрабатываемой пластиной на равномерность и производительность плазменной обработки. Полученные экспериментальные результаты и закономерности обоснованы в рамках решения диффузионного уравнения Фоккера-Планка с заданными граничными условиями.

2. Определены закономерности образования наноразмерных кластеров кремния в плазме СВЧ газового разряда на некристаллических подложках с различной энергией взаимодействия на межфазной границе. Предложена модель формирования нанокластеров из СВЧ плазмы газового разряда низкого давления на реальных поверхностях в условиях интенсивной низкоэнергетич-ной ионной бомбардировки.

3. Установлены закономерное™ влияния параметров процесса синтеза в вы-сокоионизованной плазме СВЧ газового разряда на оптическую ширину запрещенной зоны и характер спектральных зависимостей фототока в наноразмерных пленках аморфного гидрогенизированного кремния. Показано, что изменение оптической ширины запрещенной зоны гидрогенизированного кремния в зависимости от условий синтеза в СВЧ плазме может достигать 50%, что в 4-5 раз больше, чем ее изменение, которое наблюдалось при использовании других методов синтеза.

4. Определены характер и критичность влияния химического состава плазмы и параметров режима осаждения в высокоионизованной СВЧ плазме низкого давления на оптические свойства и ширину запрещенной зоны аморфных пленок карбида и нитрида кремния различного стехиометрического состава. Установлено, что для нитрида кремния, в отличие от карбида кремния, зависимость ширины запрещенной зоны от температуры и электрического смещения тем слабее, чем меньше содержание азота в твердом растворе нитрида кремния.

5. Установлены различия в механизмах переноса носителей заряда и особенностях пропускания света в однородных и слоистых с нанокластерами кремния пленочных структурах на основе карбида кремния. Показано, что в однородных структурах карбида кремния перенос носителей осуществляется по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, а в слоистых структурах с нанокластерами кремния, как по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, так и по механизму туннельного переноса носителей между электронными уровнями нанокристаллических кремниевых включений и зоной проводимости карбида кремния при приложении электрических полей порядка 10 В/мкм.

Практическая ценность работы:

1. Определены закономерности влияния технологических параметров режима СВЧ плазменной обработки в неоднородном магнитном поле на ее равномерность и производительность. Показано, что равномерность СВЧ плазменной обработки в диапазоне магнитных полей от 530 до 900 Гсхм не зависит от расположения подложки относительно окна ввода СВЧ энергии и величины мощности СВЧ излучения.

2. Разработаны методики синтеза пленок аморфного гидрогенизированного кремния с управляемой шириной запрещенной зоны, изменяющейся в интервале от 0,9 до 2,1 эВ в зависимости от условий осаждения.

3. Разработаны методики синтеза и управления размерами кремниевых на-нокластеров в диапазоне от 1,5 до 4 нм и поверхностной концентрацией до от 5'108 до 7*108см"2 на некристаллических подложках с различной энергией связи на границе раздела.

4. Разработаны методики синтеза наноразмерных пленок аморфного гидрогенизированного карбида и нитрида кремния с заданной в пределах их индивидуальных особенностей шириной запрещенной зоны, обеспеченной как изменением их стехиометрического состава, так и путем изменения параметров технологического процесса.

5. Разработана методика получения слоистых наноразмерных пленочных структур на основе аморфного карбида кремния с внедренными слоями кремниевых наноразмерных кластеров.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В установке СВЧ плазменной обработки существует диапазон магнитных полей и расстояний между подложкой и окном ввода СВЧ энергии, в котором обеспечиваются устойчивый режим генерации плазмы, наибольшая производительность и равномерность плазменной обработки, определяемые параметром интегральной магнитной индукции.

2. Согласно экспериментальным результатам, формирование наноразмер-ных кластеров кремния с минимальным размером 1,5.4нм и концентрацией о 8 2 от 5*10 до 7* 10 см" на подложках со слабой энергией взаимодействия на межфазной границе может быть осуществлено с использованием СВЧ плазмы низкого давления при степени ее ионизации не менее 5-7%.

3. Изменение знака и величины ускоряющего потенциала на подложкодер-жателе, а также температуры подложки при получении пленок аморфного гид-рогенизированного кремния в СВЧ плазме приводит к изменению содержания в них водорода, что влечет изменение ширины запрещенной зоны и показателя преломления. Изменение ширины запрещенной зоны может достигать 50%, а показатель преломления с ростом температуры подложки увеличивается на 810%.

4. Увеличение доли содержания кремния в пленках аморфного нитрида и карбида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, при этом рост температуры осаждения не оказывает влияния на ширину запрещенной зоны пленок карбида кремния, а для пленок нитрида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны на 5-8%. Пленки нитрида кремния с 20% содержанием кремния, полученные при отрицательном потенциале, имеют большую ширину запрещенной зоны, чем пленки того же состава, полученные при положительном ускоряющем потенциале.

5. Модифицирование аморфной пленочной структуры на основе карбида кремния путем введения в нее наноразмерных кластеров кремния приводит к появлению туннельного эффекта в механизме токопрохождения, кроме того, наличие в структуре нанокластеров кремния смещает максимум оптического поглощения в более коротковолновую область спектра, а значение оптического поглощения на 50% выше, чем для структур без кластеров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного, приборостроения» (Россия, Саратов, 2004, 2006); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники» (Россия, Таганрог, 2004, 2006); конференциях молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Россия, Саратов, 2006, 2007); Первой Всероссийской школе-семинаре «Современные достижения бионаноскопии» (Россия, Москва, 2007), конкурсе молодых ученых им. И.В. Анисимкина (Россия, Москва, 2006), а также на научных семинарах Саратовского филиала Института радиотехники и электроники РАН.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 5 публикациях в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ, и 6 публикациях в материалах конференций. Результаты работы отражены в отчетах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований изложена на 141 странице, содержит 58 рисунков.

Результаты работы могут быть использованы при разработке технологических процессов создания тонкопленочных полупроводниковых структур, для применения в производстве солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при разработке процессов получения наноразмерных структур, перспективных для применения в аморфных сверхрешетках.

Заключение

1. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / отв. редактор A.J1. Асеев. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. 368 с.2. http://microsystems.ru/files/publ/601 .htm

2. Леденцов Н.Н. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры / Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев и др. // ФТП, 1998, т. 32, №4, С. 385-410.

3. Baron Т. Low pressure chemical vapor deposition growth of silicon quantum dots on insulator for nanoelectronics devices. / T. Baron, F. Martin, P. Mur et. al. // Appl. Surf. Sci. 2000. V. 164. P. 29-34.

4. Williamson A.J., Energy states in quantum dots. / A.J. Williamson // International journal of high speed electronics and systems. 2002. V. 12. № 1. P. 15-34.6. http ://www.scientific.ru/j ournal/onisch/onisch.html

5. Shchukin V.A. Multiexciton Spectroscopy of a Single Self-Assembled Quantum Dot / V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, P.S. Kopiev, D. Bimberg // Phys.Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 2968.

6. Shchukin V.A. Direct formation of InGaAs/GaAs quantum' dots during submonolayer epitaxies from molecular beams / V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, M. Grundman, P.S. Kopiev // Surf. Sci. 1996. V. 352-354. P. 646.

7. Пчеляков О.П. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства / О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитя-нов, А.В. Двуреченский // ФТП. 2000. Т. 34. Вып. 11. С. 1281-1299.

8. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж.И. Алферов//ФТП. 1998. Т. 32. №1. С. 3-18.

9. Чопра К. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. с сокращениями / К. Чопра, С. Дас. М.: Мир, 1986.435 с.

10. Хейванг В. Аморфные и поликристаллические полупроводники: Пер. с нем. / В. Хейванг, У. Биркхольц, Р. Айнцингер и др.; под ред. В. Хейванга. М.: Мир, 1987. 160 с.

11. Аморфные полупроводники и приборы на их основе: пер. с англ. / под ред. Й. Хамакавы. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

12. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / под ред. Л. Ченга, Л. Плога. М.: Мир, 1989. 582 с.

13. Кульбачинский В.А. Полупроводниковые квантовые точки / В.А. Кульбачин-ский // СОЖ. 2001. Т. 7. №4. С. 98-104.

14. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: пер. с англ. / под ред. Ж.И. Алферова, Ю.В. Шмарцева. М.: Мир, 1989. 582 с.

15. Ежовский Ю.К. Поверхностные наноструктуры перспективы синтеза и использования / Ю.К. Ежовский // СОЖ. 2000. Т. 6. №1. С. 56-63.

16. Белявский В.И. Физические основы полупроводниковых технологий / В.И. Белявский // СОЖ. 1998. №10. С. 92-98.

17. Suzuki К. Fabrication of SiN films at low temperature by RF biased coaxial-line microwave plasma CVD / K. Suzuki, K. Ninomiya, I. Nishimatsu, S. Okudaira // J.Vac.Sci.Technol. 1985. V. 3,4. P. 1025-1034.

18. Уолтер C.P., Леунг K.H. // Приборы для научных исследований. 1986, №8, С. 65-69.

19. Petit В. A Parametric Study of the Etching of Silicon in SF6 Microwave Multipolar Plasmas: Interpretation of Etching Mechanisms / B. Petit, J. Pelletier // Japan J. Appl. Phys. 1987. V. 26. №6. P. 825-834.

20. Sato N. Uniform plasma production by plane slotted antenna with magnets for electron cyclotron resonance / N. Sato, S. Lizuka, Y. Nakagawa, T. Tsukada // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. №13. P. 1469-1471.

21. Гуляев Ю.В. Микроволновое ЭЦР вакуумно-плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология) / Ю.В. Гуляев, Р.К. Яфаров. // Зарубежная электронная техника. 1997. №1. С.77-117.

22. Бимберг Д. Спонтанное упорядочение полупроводниковых наноструктур / Д. Бимберг, И.П. Платова, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев // УФН. 1997. Т. 167. С. 552.

23. Оура К. Введение в физику поверхности / К. Оура, В.Г. Лифщиц, А.А. Сара-нин, А.В. Зотов; Ин-т автоматики и процессов упр. ДВО РАН. М.: Наука, 2006. 490 с.

24. Ustinov V. М. Effect of matrix on InAs self-organized quantum dots on InP substrate IV. M. Ustinov, E. R. Weber, S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber // Appl. Phys. Lett.1998. V. 72. Р.362-364.

25. Bodefeld M. С. Storage of electrons and holes in self-assembled InAs quantum dots / M. C. Bodefeld, R. J. Warburton, K. Karrai, J. P. Kotthaus // Appl. Phys. Lett. 1999. V.74. P. 1839-1841.

26. Schittenhelm P. Self-assembled Ge dots: Growth, characterization, ordering, and applications / P. Schittenhelm, C. Engel, F. Findeis, G. Abstreiter // J. Vac. Sci. Tech. 1998. В 16. P.1575-1581.

27. Bonadeo N. H. Coherent optical control of the quantum state of a single quantum dot /N. H. Bonadeo, J. Erland, D. Gammon, D. Park // Science. 1998. V. 282. P. 1473-1476.

28. Drexler H. Optical emission from a charge-tunable quantum ring / H. Drexler, D. Leonard, W. Hansen, J.P. Kotthaus // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 2252.

29. Lee H. Transport signatures of correlated disorder in a two-dimensional electron gas /Н. Lee, J.A. Johnson, J.S. Speck, P.M. Petroff// J. Vac. Sci. Technol. 2000. В 18. P. 2193.

30. Xie Q. Shell structure and electron-electron interaction in self-assembled InAs quantum dots / Q. Xie, A. Madhukar, P. Chen, N.P. Kobayashi // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. P. 2542.

31. Cuadra L. Type II broken band heterostructure quantum dot to obtain a material for the intermediate band solar cell / L. Cuadra, A. Mart, A. Luque // Physica E. 2002. V. 14. P. 162-165.

32. Меден А. Физика и применение аморфных полупроводников: Пер. с англ. / А. Меден, М. Шо М.: Мир, 1991. 670 с.

33. Иоффе А.Ф. Некристаллические, аморфные и жидкие полупроводники. В. кн.: Иоффе А.Ф. Избранные труды. - Т.2. / А.Ф. Иоффе, А.Р. Регель. JL: Наука, 1975. 230 с.

34. Кудряшов С.А. Влияние геометрии реактора на параметры микрообработки в плазме СВЧ разряда с ЭЦР: Труды Всероссийской научно технической конф. «Микро- и наноэлектроника». / С.А. Кудряшов, Р.К. Яфаров. Звенигород. 1999. -С.17-18.

35. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ./ И.В. Лебедев, под ред. академика Н.Д. Девяткова. М.: Высш. школа, 1970. 440 стр.

36. Гуляев Ю.В. Эффективность использования мощности в установках СВЧ -ВПО структур микроэлектроники. Препринт. / Ю.В. Гуляев, Р.К. Яфаров. М.: ИРЭ АН СССР. 1989. с. 14.

37. Тимофеев A.B. Циклотронные колебания плазмы в неоднородном магнитном поле/ A.B. Тимофеев //Успехи физических наук. 1973. Т. 110. Вып. 3. С. 329-355.

38. Сковорода A.A. Изучение циклотронного поглощения электромагнитных волн . в плазме в неоднородном магнитном поле / A.A. Сковорода, Б.Н. Швилкин. // ЖЭТФ. 1976. Т. 70. Вып. 5. С. 1779-1784.ч

39. Гуляев Ю.В. Равномерность СВЧ вакуумно-плазменной обработки с элек-тронно-цикпотронным резонансом в неоднородных внешних магнитных полях / Ю.В. Гуляев, И.Д. Черкасов, Р.К. Яфаров. // Доклады академии наук. 1997. Т. 353. №1. С. 40-43.

40. Былинкина H.H. Микротопография и автоэмиссионные свойства графитопо-добных углеродных пленок / H.H. Былинкина, С.П. Муштакова, В.А. Олейник и др. // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 6. С. 43-47.

41. Иевлев В.М. Структурные превращения в тонких пленках / В.М. Иевлев, Л.И. Трусов, В.А. Холмянский. М.: Металлургия, 1982. 248 с.

42. Грин М. Поверхностные свойства твердых тел / М. Грин, М. Дж. Ли. под ред. М. Грин. М.: Мир, 1972, с. 155-189.

43. Габович А.М., Пашицкий Э.А. ФТТ. 1976. Т. 18. С. 377-381.

44. Шерман А.Б., Трусов Л.И., Казакова Т.А., Балашова Е.В. Тезисы докладов II Всесоюзного симпозиума по активной поверхности твердых тел. Тарту Изд-во ИКАН СССР, 1977, С. 51-52.

45. Морохов И.Л. Ультрадисперсные металлические среды / И.Л. Морохов, Л.И. Трусов, С.П. Чижик. М.: Атомиздат, 1977. 289 с.

46. Шерман А.Б., Балашова Е.В., Добровольский A.A., Трусов Л.И. Письма ЖТФ, 1975. Т. 1, Вып. 25, С. 34-36.

47. Трусов Л.И., Чернов A.A. Кристаллография, 1979, Т. 24, Вып. 1, С. 11-17.

48. Дорфман В.Ф., Трусов Л.И. Кристаллография, 1969, т. 15, Вып. 1, С. 71-74.

49. Косевич В.М., Политик Л.С., Соколов Ю.В., Удовенко A.A. ФММ, 1975, Т. 39. С. 354-361.

50. Оура К. Введение в физику поверхности / К. Оура, В.Г. Лифщиц, A.A. Сара-нин, A.B. Зотов, М. Катаяма. Ин-т автоматики и процессов упр. ДВО РАН. М.: Наука, 2006.490 с.

51. Трусов Л.И. Островковые металлические пленки / Л.И. Трусов, В.А. Холмянский. М.: Металлургия, 1973. 321 с.

52. Гегузин Я.Е., Когановский Ю.С. УФН, 1978, Т. 125. С. 489-525.

53. Гегузин Я.Е., Кагановский Ю.С, Кибец В.И. и др. ФММ, 1975, т. 39 вып. 6 с.1205-1210.

54. Свелин P.A. Термодинамика твердого состояния / P.A. Свелин. М.: Металлургия, 1968.314 с.

55. Гегузин Я.Е. Поверхностная диффузия и растекание / Я.Е. Гегузин. М.: Наука, 1969,450 с.

56. PalmbergP.W., Rhodin TM.', ToddT. Appl. Phys. Letters, 1967, v. 10, p. 122-124.

57. Stirhnd D.J. AppL Phys. Lett., 1966, v. 8, p. 326-327.

58. Нефедов Д.В. Миграционное заращивание рельефа поверхности при формировании нанокристаллитов с использованием СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров. // ПЖТФ, 2007. Т. 33. Вып. 21. С. 78-84.

59. Нефедов Д.В. Влияние упругих взаимодействий на самоорганизацию кремниевых нанокристаллитов, полученных в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров. // Нелинейный мир. 2007. №5. Т.5. С. 314-315.

60. Нефедов Д.В. Влияние температуры на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров. // ПЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 2. С. 62-68.

61. Woll A.R. Self-organized quantum dots / A.R. Woll, P. Rugheimer, M.G. Lagally // International journal of high speed electronics and systems 2002. V. 12. № l.P. 45-78.

62. Нефедов Д.В. Влияние упругих взаимодействий на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров. // ПЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 7. С. 26-34.

63. Аморфный кремний и родственные материалы: Пер. с англ. / под ред. Х.Фрицше. М.: Мир, 1991. 544 с.

64. Физика гидрогенизированного аморфного кремния: Вып. 2. Электронныеи колебательные свойства: Пер. с англ. / под ред. Дж. Джоунопулос, Дж. Люков-ски. М.: Мир, 1988. 448 с.

65. Zanzucchi J. A new amorphous silicon-based alloy for electronic applications / J. Zanzucchi, C.R. Wronski, D.E. Carlson // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. P. 5227.

66. Tauc J. Relations between the structure and the optical properties of glass and amorphous thin films of tellurite / J. Tauc, R. Grigorovici, A. Vancu // Phys. Stat. Sol. 1966. V. 15.P.627.

67. Карлсон Д. Солнечные батареи из аморфного кремния. —Аморфные полупроводники: Пер. с англ. / Д. Карлсон, К. Вронски, под ред. А. А. Андреева, В. А. Алексеева. М., Мир, 1982. 445 с.

68. Физика гидрогенизированного аморфного кремния: Вып. 1. Физические свойства, методы получения и применение: пер. с англ. / под ред. Дж.Джоунопулос, Дж. Люковски. М.: «Мир», 1987. 453 с.

69. Roedern В. Photoelectron Spectra of Hydrogenated Amorphous Silicon / B. von Roedern, L. Ley, M.Cardona // Phys. Rev. Lett. 1977. V. 39. P. 1576.

70. Голикова О.А. Особенности структуры пленок аморфного гидрированного кремния, осажденных методом разложения силана на постоянном токе в магнитном поле / О.А. Голикова, А.Н. Кузнецов, В.Х. Кудоярова, М.М. Казанин. // ФТП. 1997. Т.31. №7. С. 816-819.

71. Голикова О.А. Кристаллизация пленок аморфного гидрированного кремния, осажденных при различных условиях / О.А. Голикова, Е.В. Богданова, У.С. Бабаходжаев // ФТП. 2002. Т. 36. №10. С. 1259-1262.