Электрофизические и оптоэлектронные свойства гетероструктур на основе a-Si: H и его сплавов
Установлено, что при высоких прямых смещениях омическое сопротивление, оказывающее влияние на ВАХ всех исследованных гетероструктур, обусловлено объемным сопротивлением слоя аморфного полупроводника. Смена механизмов переноса носителей заряда в a-SiC:H/c-Si с увеличением концентрации С от омической зависимости к току, ограниченному объемным зарядом, обусловлена изменением объемного сопротивления… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Современные представления о гетероструктурах на основе аморфных полупроводников
- 1. 1. Приборы на основе аморфных полупроводников
- 1. 1. 1. Тонкопленочный полевой транзистор
- 1. 1. 2. Высоковольтный тонко пленочный полевой транзистор
- 1. 1. 3. Датчики изображения
- 1. 1. 4. Солнечные батареи
- 1. 1. 5. Фотодетектор на основе a-Si:H и его сплавов
- 1. 2. Энергетические диаграммы гетероструктур на основе кристаллических и аморфных полупроводников
- 1. 2. 1. Модель энергетической диаграммы гетероструктуры на основе кристаллических полупроводников
- 1. 2. 2. Особенности зонной диаграммы гетероструктур на основе аморфных полупроводников
- 1. 2. 2. 1. Модели энергетических состояний в неупорядоченных полупроводниках
- 1. 2. 2. 2. Модель энергетической диаграммы гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник
- 1. 1. Приборы на основе аморфных полупроводников
- 1. 3. Механизмы токопереноса в гетероструктурах на основе кристаллических и аморфных полупроводников
- 1. 3. 1. Диффузионная модель
- 1. 3. 2. Модель термической эмиссии
- 1. 3. 3. Модели, описывающие механизм переноса носителей заряда с помощью туннелирования
- 1. 3. 3. 1. Простейшие модели туннелирования
- 1. 3. 3. 2. Модель многоступенчатого туннелирования с захватом и эмиссией носителей на ловушках
- 1. 3. 4. Ток, обусловленный генерацией и рекомбинацией носителей в обедненном слое
- 1. 3. 5. Ток, ограниченный объемным зарядом (ТООЗ)
- 1. 3. 6. Эквивалентная электрическая схема гетероструктуры a- S i: Н (п-тип)/с- S
- 1. 4. Выводы по главе 1
- 2. 1. Технологии получения полупроводниковых аморфных пленок
- 2. 2. Методы исследования электрофизических и оптоэлектронных свойств гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник
- 2. 2. 1. Измерение температурных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов
- 2. 2. 2. Измерение спектральных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов
- 2. 3. Методы исследования состава и структуры пленок a-Si:H и сплавов на его основе
- 2. 3. 1. Рентгеновский микрозондовый анализ
- 2. 3. 2. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда
- 2. 3. 3. Вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС)
- 2. 3. 4. ИК — спектроскопия
- 2. 3. 5. Электронный парамагнитный резонанс
- 2. 4. Методы исследования оптических и электрофизических свойств пленок гидрогенезированного аморфного кремния и сплавов на его основе
- 2. 4. 1. Определение положения уровня Ферми в a-Si:H и его сплавах
- 2. 4. 2. Определение оптической ширины запрещенной зоны пленок a-Si:H и его сплавов по спектрам оптического пропускания
- 2. 5. Методы определения энергетического распределения плотности состояний в щели по подвижности аморфного полупроводника
- 2. 5. 1. Методика моделирования температурной зависимости фотопроводимости
- 2. 5. 2. Моделирование спектральной зависимости коэффициента поглощения, измеренной по методу постоянного фототока
- 2. 5. 3. Моделирование вольт-фарадных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов
- 2. 6. Выводы по главе 2
- 3. 1. Гетероструктуры a-Si:H/c-S
- 3. 1. 1. Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H/c-S
- 3. 1. 1. 1. Прямые ветви В АХ
- 3. 1. 1. 2. Обратные ветви В АХ
- 3. 1. 2. Спектральные характеристики гетероструктур a-Si:H/c-S
- 3. 1. 1. Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H/c-S
- 3. 2. Гетер оструктуры a-Si:H (n-thn)/c-S
- 3. 2. 1. Прямые ветви В АХ
- 3. 2. 2. Обратные ветви ВАХ
- 3. 3. Гетероструктуры a-SiC:H/c-S
- 3. 3. 1. ВАХ гетероструктур a-SiC:H/c-S
- 3. 3. 1. 1. Область прямых смещений
- 3. 3. 1. 2. Область обратных смещений
- 3. 3. 2. Спектральные характеристики гетероструктур a-SiC:H/c-S
- 3. 3. 1. ВАХ гетероструктур a-SiC:H/c-S
- 3. 4. Гетероструктуры a-SiGe:H/c-S
- 3. 4. 1. ВАХ гетероструктур a-SiGe:H/c-S
- 3. 4. 1. 1. Область прямых смещений
- 3. 4. 1. 2. Обратные ветви ВАХ
- 3. 4. 2. Спектральные характеристики гетероструктур a-SiGe:H/c-S
- 3. 4. 1. ВАХ гетероструктур a-SiGe:H/c-S
- 3. 5. Выводы по главе 3
- 4. 1. Свойства пленок a-Si:H
- 4. 1. 1. Анализ микроструктуры пленок a-Si:H по данным ИК-спектроскопии
- 4. 1. 2. Оптические и электрофизические свойства a-Si:H
- 4. 1. 3. Плотность состояний в a-Si:H и на границе раздела гетероструктуры a-Si:H/c-S
- 4. 2. Свойства пленок a-Si:H (п-тип)
- 4. 2. 1. Химический состав пленок a-Si:H (п-тип)
- 4. 2. 2. Анализ микроструктуры пленок a-Si:H (n-thn) с помощью
- 4. 2. 3. Оптические и электрофизические свойства пленок a-Si:Hn-THna
- 4. 3. Свойства пленок a-SiC:H
- 4. 3. 1. Химический состав пленок a-SiC:H
- 4. 3. 2. Микроструктура тонких пленок сплава a-SiC:H
- 4. 3. 3. Оптические и электрофизические свойства a-SiC:H
- 4. 3. 4. Плотность состояний в a-SiC:H и на границе раздела гетероструктур a-SiC:H/c-S
- 4. 4. Свойства пленок a-SiGe:H
- 4. 4. 1. Состав пленок a-SiGe:H
- 4. 4. 2. Микроструктура тонких пленок a-SiGe:H
- 4. 4. 3. Оптические и электрофизические свойства a-SiGe:H
- 4. 4. 4. Плотность состояний в щели по подвижности a-SiGe:H и на границе раздела гетероструктуры a-SiGe:H/c-S
- 4. 5. Выводы по главе 4
- 5. 1. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-Si:H/c-S
- 5. 1. 1. Моделирование температурных зависимостей В АХ и особенности токопереноса при прямых смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-S
- 5. 1. 2. Моделирование температурных зависимостей ВАХ и особенности токопереноса при обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-S
- 5. 2. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-Si:H (n-thn)/c-S
- 5. 2. 1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-Si:H (n-THn)/c-S
- 5. 2. 2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H (n-ran)/c-S
- 5. 3. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-SiC:H/c-S
- 5. 3. 1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-SiC:H/c-S
- 5. 3. 2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях в гетероструктурах a-SiC:H/c-S
- 5. 4. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-SiGe:H/c-S
- 5. 4. 1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-SiGe:H/c-S
- 5. 4. 2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях в гетероструктурах a-SiGe:H/c-S
- 5. 5. Выводы по главе 5
Электрофизические и оптоэлектронные свойства гетероструктур на основе a-Si: H и его сплавов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В настоящее время неупорядоченные полупроводники, в частности, # аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) и сплавы на его основе находят широкое применение в технологии твердотельной электроники. Связано это, прежде всего, с уникальной совокупностью свойств этих материалов, изменяемых в широких пределах за счет варьирования технологических режимов осаждения, и возможности осаждения a-Si:H и его сплавов практически
6 2 на любую поверхность площадью до 10 см .
Поскольку технология формирования a-Si:H хорошо совместима с обычной кремниевой технологией производства интегральных схем, это явилось предпосылкой для создания приборов и устройств, совмещающих в себе ® аморфную и кристаллическую форму кремния. На сегодняшний день это, прежде всего, гетеропереходные биполярные транзисторы и пространственные активные матрицы на основе тонкопленочных полевых транзисторов для устройств ввода и вывода графической и видео информации, элементы солнечных батареи, датчики у-излучения, фотодатчики и мишени видиконов в трубках изображения.
Применение гетероструктур аморфный/кристаллический кремний (a-Si:H/c-Si) позволяет совместить высокую эффективность c-Si с низкой ® стоимостью получения a-Si:H. Однако практическая реализация приборов на их основе затруднена из-за того, что существует широкий набор параметров, чувствительных к технологии получения пленок a-Si:H (ширина щели подвижности, плотность состояний дефектов, изменение концентрации водорода и т. д.) и отсутствуют ясные представления о закономерностях формирования гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник.
Поскольку характеристики гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник во многом определяются особенностями переноса носителей в ^ них, изучение механизмов токопереноса в подобных гетероструктурах является важной научно-практической задачей. Ее решение способствует оптимизации технологии получения гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник и позволяет выявить закономерности формирования подобных гетероструктур. Кроме того, гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник могут служить модельным объектом, изучение свойств которого будет способствовать выявлению закономерностей формирования более сложных для понимания гетероструктур аморфный/аморфный полупроводник. Таким образом, изучение особенностей механизмов переноса носителей заряда в гетероструктурах аморфны/кристаллический полупроводник является актуальной задачей твердотельной электроники.
Целью данной диссертационной работы являлось изучение механизмов переноса носителей заряда в гетероструктурах аморфный/кристаллический полупроводник, выявление взаимосвязи между технологическими параметрами получения аморфных полупроводников и электрофизическими свойствами гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, и определение оптимальных технологических параметров для получения гетероструктур приборного качества.
Научная новизна
1) Впервые исследованы прямые и обратные ветви В АХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si в широком диапазоне смещений (от 0 до 15 В, для прямых ветвей и от 0 до -15 В для обратных ветвей ВАХ) и температур (от комнатной до 250 °С), сформированных по высокоскоростной технологии роста пленок a-Si:H и сплавов на его основе методом НЧ ПХО.
2) Показана взаимосвязь между особенностями переноса носителей заряда в гетероструктурах a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si при прямых и обратных смещениях и электрофизическими свойствами аморфных пленок a-Si:H, a-Si.H (n-thn), a-SiC:H и a-SiGe:H. Установлено, что токи утечки через гетеропереход при малых прямых смещениях контролируются состояниями на границе раздела гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, расположенными вблизи уровня Ферми аморфного полупроводника, которые для a-Si:H и a-SiC:H обусловлены оборванными связями кремния, а для a-SiGe:H оборванными связями германия.
3) При малых прямых смещениях токоперенос в гетероструктурах a-SiGe:H/c-Si осуществляется за счет многоступенчатого туннелирования дырок из c-Si р-типа в a-SiGe:H до уровня дефектов, обусловленного оборванными связями Ge, где происходит их эмиссия в валентную зону аморфного сплава. При больших прямых смещениях ток ограничен пространственным зарядом, а его рост обеспечивается за счет термической активации захваченных электронов с уровней ловушек в верхней половине щели, обусловленных оборванными связями Si.
4) Установлено, что процессы генерации и рекомбинации, контролирующие перенос носителей заряда при высоких обратных смещениях в гетероструктурах a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-ran)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si происходят в обедненной области аморфного полупроводника.
5) Исследованы спектральные характеристики гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si. Анализ квантовой эффективности фотопреобразования гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si показал, что изучаемые гетероструктуры имеют высоко качественную границу раздела. Показано, что пик фоточувствительности гетероструктур a-SiGe:H/c-Si можно сдвигать в ИК область за счет уменьшения ширины запрещенной зоны сплава a-SiGe:H.
Практическая значимость
1) Разработаны стенды для измерения температурных и спектральных зависимостей ВАХ, которые позволяют проводить измерения в широком диапазоне температур с высокой точностью: ошибка в измерении тока не превышает 2,5%, а напряжения — 2%.
2) Предложены эквивалентные электрические схемы гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si как для прямых, так и для обратных смещений, которые позволяют описать вольт-амперную характеристику в широком диапазоне смещений и температур измерения. Моделирование ВАХ изучаемых гетероструктур с помощью предоженных эквивалентных электрических схем позволило с высокой точностью определить параметры переноса носителей заряда и выявить закономерности формирования подобных гетероструктур. Полученные таким образом результаты позволяют прогнозировать характеристики приборов на основе гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник.
3) Комплексный анализ электрофизических и оптоэлектронных свойств пленок a-Si:H, a-Si:H (n-thn), a-SiC:H и a-SiGe:H и результатов моделирования ВАХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si с использованием разработанной методики моделирования ВАХ, в основе которой лежат предложенные ЭЭС, позволил оптимизировать технологию получения гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:H и его сплавов, полученных методом НЧ ПХО при повышенных скоростях роста. Определены технологические режимы осаждения, при которых формируются гетероструктуры a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si приборного качества.
4) Выводы и рекомендации, сделанные в диссертационной работе Мазурова А. В. в части исследования электрофизических свойств и оптимизации технологии формирования гетероструктур на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом, использованы в серии НИР по созданию фоточувствительных структур и в учебном процессе МИЭТ (ТУ) в лекционном курсе и лабораторном практикуме по дисциплинам «Материалы электронной техники», «Полупроводниковые преобразователи энергии» и «Физика и химия полупроводников». Результаты работы могут быть использованы при создании элементов солнечных батарей и датчиков излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика моделирования прямых и обратных ветвей ВАХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si с использованием эквивалентных электрических схем, позволяющих описать ВАХ в широком диапазоне температур и прикладываемых к гетероструктурам смещений, а также определить параметры переноса носителей заряда.
2. Механизмы переноса носителей заряда при прямых и обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, сформированных при повышенных скоростях роста.
3. Взаимосвязь плотности состояний в щели по подвижности a-Si:H и сплавов на его основе и на границе раздела гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник и механизмов переноса носителей заряда при прямых и обратных смещениях.
4. Формирование гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:II (n-tmn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si приборного качества в низкочастотной плазме (55кГц) тлеющего разряда при повышенных скоростях роста и низких температурах осаждения.
Апробация работы.
По результатам исследований были сделаны доклады на: Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000" — Межвузовской научно-технической конференции «Электроника и информатика» МИЭТ, Зеленоград 1999;2004 гг.- конференции «Полупроводники-99», Новосибирск, 1999 г.- Международной школе-конференции по физическим проблемам в материаловедении полупроводников, Черновцы, 1999 г.- XI Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик — 99). Гурзуф.- 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, International Congress Centre Munich, Germany.- International workshop on «Modern problems in the physics of surfaces and nanostructures» 2001 Yaroslavl.- Отчетной конференции по программе: Топливо и энергетика. 2001 г., Москва, МЭИ.- Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника». Зеленоград, 2001 г.- SPIE’s 47-th Annual Meeting, 2002, Seattle.- Восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2002 г. Москва. Мэй.- Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2002 г, 2004 г.- Международная конференция по физике электронных материалов ФИЭМ-02, 2002 г. Калуга,
Россия.- IV Международная научно-техническая конференция, Москва МИЭТ, 2002 г.- International Conference «Microand nanoelectronics — 2003» (ICMNE-2003, Zvenigorod, Moscow district, 2003);
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе: 1 в журнале «Перспективные материалы», 3 работы в трудах зарубежных конференций, а также тезисы докладов на российских и международных конференциях.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 220 страниц машинописного текста, включая 41 таблиц, 143 рисунка и список литературы в количестве 134 наименований и приложения
Основные результаты и выводы.
1. Впервые получены и исследованы гетероструктуры a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si приборного качества, осажденные методом НЧ (55 кГц) ПХО при повышенных скоростях роста. Разработана методика измерений вольт-ампераных характеристик гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник при различных температурах и различных длинах волн падающего излучения. Разработанные стенды позволяют проводить измерения ВАХ в диапазоне температур от комнатной до 250 °C и в диапазоне длин волн падающего излучения от 500 до 1100 нм с высокой точностью: ошибка в измерении тока не превышает 2,5%, а напряжения — 2%.
2. Исследование свойств слоев a-Si:H и его сплавов позволило установить, что с ростом температуры осаждения от 100 до 275 °C наблюдается рост плотности состояний в нижней части щели по подвижности. При формировании слоев a-Si:H n-типа происходит кластерирование Si-H2 связей на внутренних поверхностях при содержании РН3 в газовой смеси менее 1,11%. С ростом концентрации РН3 этот процесс замедляется и практически полностью подавляется при максимальной концентрации РН3 (1,37%). Рост концентрации С в пленках a-SiC:H приводит к росту плотности состояний, при этом состояния вблизи уровня Ферми обусловлены оборванными связями Si.
Введение
Ge в a-Si:H приводит к замене Si-H связей на Ge-H. Установлено, что глубокие состояния в нижней части щели по подвижности a-SiGe:H обусловлены оборванными связями Ge, а в верхней половине — оборванными связями Si.
3. Предложены эквивалентные электрические схемы гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, позволяющие описать прямые и обратные ветви ВАХ в широком диапазоне прямых (от 0 до 15 В) и обратных (от 0 до -15 В) смещений. На основе предложенных схем разработано программное обеспечение и реализована методика моделирования ВАХ, позволяющая определять параметры преобладающих механизмов переноса при прямых и обратных смещениях в исследуемых гетероструктурах аморфный/кристаллический полупроводник. Полученные уточненные значения параметров позволили выявить закономерности формирования гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-Tim)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si.
4. Анализ спектральных характеристик гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si показал, что они имеют высокое качество границы раздела. Это может быть связано с пассивацией водородом оборванных связей в аморфных пленках и на границе раздела a-Si:H/c-Si, а также наличием ионной бомбардировки поверхности роста в НЧ разряде. Коротковолновый край поглощения квантовой эффективности фотопреобразования гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si определяется шириной запрещенной зоны аморфного полупроводника, а длинноволновый — межзонными оптическими переходами в узкозонном материале c-Si. Параметрами гетероструктур a-SiGe:H/c-Si можно управлять, сдвигая пик фоточувствительности в ИК область за счет уменьшения ширины запрещенной зоны сплава a-SiGe:H.
5. Анализ механизмов переноса носителей в гетероструктурах a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si показал, что при малых прямых смещениях многоступенчатое туннелирование дырок с захватом и эмиссией носителей заканчивается их эмиссией в валентную зону аморфного полупроводника. При этом уровень, с которого происходит эмиссия для гетероструктур a-Si:H/c-Si обусловлен нейтральными оборванными связями Si, а для a-SiGe:H/c-Si — дефектами типа оборванная связь Ge. Смена механизма переноса носителей заряда при малых прямых смещениях для гетероструктур a-SiC:H/c-Si с увеличением концентрации С в аморфной пленке от многоступенчатого туннелирования к омической зависимости объясняется ростом объемного сопротивления аморфного слоя и увеличением концентрации дефектов в a-SiC:H. Токи утечки через гетеропереход контролируются состояниями на границе раздела гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, расположенными со стороны аморфного полупроводника вблизи уровня Ферми, которые для a-Si:H и a-SiC:H обусловлены оборванными связями Si, а для a-SiGe:H — оборванными связями Ge.
6. Установлено, что при высоких прямых смещениях омическое сопротивление, оказывающее влияние на ВАХ всех исследованных гетероструктур, обусловлено объемным сопротивлением слоя аморфного полупроводника. Смена механизмов переноса носителей заряда в a-SiC:H/c-Si с увеличением концентрации С от омической зависимости к току, ограниченному объемным зарядом, обусловлена изменением объемного сопротивления слоя а-SiC:H и плотности состояний в щели подвижности a-SiC:H. Термическая активация носителей заряда в зону проводимости аморфного полупроводника, для гетероструктур a-Si:H/c-Si происходит с энергетических уровней, обусловленных двукратно заряженной оборванной связью Si, для a-Si:H (n-thn)/c-Si этот уровень обусловлен появлением дефектов, связанных с легированием a-Si:H атомами фосфора, а для a-SiGe:H/c-Si обусловлен оборванными связями кремния.
7. Установлено, что увеличение плотности состояний в запрещенной зоне a-Si:H и a-SiGe:H увеличивает вероятность возникновения в гетероструктурах a-Si:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si при малом обратном смещении многоступенчатого туннелирования с захватом и эмиссией носителей заряда на ловушках. Токи утечки в гетероструктурах a-SiC:H/c-Si при малых обратных смещениях определяются энергетическими состояниями со стороны a-SiC:H, расположенными вблизи уровня Ферми и обусловленными оборванными связями Si. Для гетероструктур a-SiGe:H/c-Si смена механизма переноса носителей заряда от многоступенчатого туннелирования к ТООЗ при малых обратных смещениях с увеличением концентрации GeH4 в газовой смеси связана с уменьшением ширины запрещенной зоны формируемого a-SiGe:H.
8. Установлено, что в области больших обратных смещений для гетероструктур a-Si:H (n-thn)/c-Si, сформированных при концентрации РН3 в газовой смеси более 1,22%, появляется механизм переноса носителей заряда, обусловленный процессами генерации и рекомбинации носителей заряда в обедненной области a-Si:H (n-tnn). Как и в случае прямых смещений смена механизмов переноса носителей заряда при обратных смещениях в a-SiC:H/c-Si с увеличением концентрации С в пленке обусловлена ростом объемного сопротивления слоя a-SiC:H и увеличением плотности состояний в щели подвижности a-SiC:H.
9. Установлено, что процессы генерации, контролирующие перенос носителей заряда при высоких обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, происходят в обедненной области аморфного полупроводника. Определено сродство к электрону и коэффициент температурного изменения щели по подвижности для слоев a-Si:H, a-Si:H (n-thn), a-SiC:H и a-SiGe:H. Установлено, что на величину сродства к электрону влияет изменение плотности состояний на границе раздела гетероструктур a-Si:H/c-Si и в щели по подвижности a-Si:H.
10. Комплексный анализ свойств пленок a-Si:H и его сплавов, и гетероструктурах a-Si:H/c-Si, a-Si:H (n-thn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, сформированных в НЧ (55 кГц) плазме тлеющего разряда, позволил определить технологические режимы формирования гетероструктур приборного качества. Установлено, что гетероструктуры a-Si:H/c-Si приборного качества формируются при температуре подложки 225 °C. При этом ширина запрещенной зоны для a-Si:H равна 1,78 эВ, обеспечиваются максимальное значение фоточувствительности пленок (1,5 106) и минимальные значения плотности состояний на границе раздела гетероструктуры a-Si:H/c-Si (Nss=l, l Ю11 см" 2). Показано, что при температуре подложки, равной 200 °C, и концентрации РНз в смеси реакционных газов 1,22% формируются гетероструктуры a-Si:H (n-thn)/c-Si приборного качества. При этом Eg для a-Si:H п-типа составляет 1,73 эВ, уровень Ферми наиболее близко расположен к краю зоны проводимости (отстоит от нее на 0,34 эВ), наблюдаются высокие значения темновой проводимости (8 10″ 4 Ом" 1 см"). Установлено, что при Тп~320 С гетероструктуры a-SiC:H/c-Si приборного качества формируются при концентрации СН4 в смеси реакционных газов 20%. При этом плотность состояний на границе раздела гетероструктуры a-SiC:H/c-Si минимальна и
11 9 составляет 4,2 10 см". Оптимальной концентрацией GeH4 в смеси реакционных газов при ТП=225°С для получения гетероструктур a-SiGe:H/c-Si приборного качества является 9,1%. В этом случае фоточувствительность пленки a-SiGe:H
4,9 104, ширина щели по подвижности — 1,64 эВ, плотность состояний на границе
11 2
раздела гетероструктуры a-SiGe:H/c-Si равна 1,5 10 см" .
Список литературы
- Paul.W., Anderson D.A., Sol. Energy Mat., 5, 229 (1981)
- Fritshe H., Sol. Energy Mat., 3, 447 (1980)
- Спир У., Ле Комбер П. Фундаментальные и прикладные исследования материала приготовляемого в тлеющем разряде// В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния.- М.: Мир, 1987. Вып.1. С. 85−155.
- М. Bohm. State Tehnology, 1983, v.31, p.125−131.
- P. F. Bloser, S. D. Hunter, G. O. Depaola, and F. Longo arXiv: astro-ph/30 833. vl. 19 Aug 2003.
- E. Pincik 1, H. Kobayashi, J. Mullerova, K. Gmucova, M. Jergel, R. Brunner, M. Zeman, M. Zahoran acta physica slovaca 2003 vol. 53 No. 4, p. 267 -278
- Matthias Hillebrand, Frank Blecherl, Jurgen Sterzel, Markus Bohm Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 762 © 2003 Materials Research Society
- H. Gleskova, S. Wagner, Applied Surface Science 175−176, pp.12−16 (2001)
- A. M. Brockhoff, H. Meiling, F. H. P. M. Habraken, and R. E. I. Schropp, Proc.Electrochem. Soc. Thin Film Transistor Technologies IV, Boston (1998).
- Tuan H.C. Mat-Res.Sos. Symp. Proc., 1986, v. 70, p.651−656.15. «Неупрорядоченные полупроводники». Под. ред. А. А. Айвазова. Издательство МЭИ, Издательство «Высшая школа» М. 1995. 352 с.
- Sassaki С.A., Arasak А.Т., Carreno М.Р., Kamagawa A., Pereyra J. J of Non-Cryst. Solids, 1989, v. 115, p. 90−92.
- Д. Карлсон, К. Вронски. «Солнечные батареи из аморфного кремния». В кн. Аморфные полупроводники / Под. ред. Бродски. М. Мир. 1982. с. 355−411.
- Аморфные полупроводники/ Под ред. М.Бродски.- М.: Мир, 1982. 419с.
- Аморфные и поликристаллические пленки / Под ред.Хейванга.- М.: Мир, 1987. 158с.
- D. Caputo, G. de Cesare, A. Nascetti, F. Palma, R. De Rosa, M. Tucci. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion. Proceedings of the International Conference held at Vienna, Austria 6−10 July 1998.
- K.Kumagai: Report of 31st Solar Energy Tech. Promotion Committee, New Sunshine Project HQ, MITI, (June, 1994) 83.
- Sawada Torn, Terada Norihiro, Tsuge Sadaji, Baba Toshiaki, Takahama Tsuyoshi, Wakisaka Kenichiro, Tsuda Shinya and Nakano Shoichi «High-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell», First WCPEC- Hawaii, Dec. 5−9, 1994, pp. 12 191 226.
- G. de Cesare, F. Irrera, M. Tucci. Mat. Res.Symp.Proc.Vol. 467 © 1997 Materials Research Society, pp 937−942
- R. L. Anderson. IBM J. Res. Dev. 4, 283 (1960)
- R. L. Anderson. Solid-State Electronics vol. 5, pp. 341−351.
- P.W. Anderson, Phys. Rev., vol. 109, № 5, (1958), pp.1492−1505.
- Cohen M.H., Fritzsche H., Ovshinsky S.R., Phys. Rev. Lett., vol. 22, № 20, (1969), pp.1065−1068.
- H. Matsuura, H. Okushi, «Electrical properties amorphous/crystalline semiconductor heterojunction» // in «Amorphous and microcrystalline silicon devices», ed. by J. Kanicki (Artech House, Boston, 1992), vol II, pp.517−561.
- Б.Л. Шарма, Р. К. Пурохит «Полупроводниковые гетеропереходы». М. Советское Радио. 1979. 226 с.
- А. Милне, Д. Фхойт «Гетеропереходы и переходы металл полупроводник». М. Мир. 1975. 432 с.
- S. Fonash, Solar Cell Device Physics, (Academic Press, New York, 1981).
- A.G. Ghynoweth, W.L. Feldmann, and R.A. Logan, Phys. Rev. 121,684 (1961).
- A.R. Riben and D.L. Feucht, Solid-State Electronics 9, (1966), pp. 10 551 065.
- A.R. Riben and D.L. Feucht, Int. J. Electron. 20, 583 (1966).
- W. Franz, Handb. Phys.17, 155 (1956).
- H. Matsuura, T. Okuno, H. Okushi, and K. Tanaka, J. Apll. Phys. 55(4). (1984), pp. 1012−1019.
- H. Matsuura. J. Apll. Phys. 64(4). (1988). pp. 1964−1973.
- H. Matsuura. IEEE Transactions on electron devices. Vol. 36 (12) pp. 29 082 914.
- С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, 1984) т, 1 с. 455.
- L. F. Marsal, J. Pallares, X. Correig, J. Calderer and R. Alcubilla. J. Appl. Phys., vol.79, No 11, 1996, pp. 8493−8497.
- L. F. Marsal, J. Pallares, X. Correig, A. Orpella, D. Bardes, and R. Alcubilla. J. Appl. Phys., vol.85, No 2, 1999, pp. 1216−1221.
- M. Ламперт, П. Марк. Инжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973,416 с.
- A. Rose, Phys. Rev. 97, 1538 (1955).
- П. А. Иванов, О. И. Коньков, Е. И. Теруков. ФТП, 34 (5), 617 (2000)
- L. F. Marsal, J. Pallares, X. Correig and R. Alcubilla. Semicond. Sci. Technol. 11 (1996). pp.1209−1213.
- A.A. Айвазов, Б. Г. Будагян. Электронная промышленность. 1995 № 4−5 .С.65−67.
- Б.Г.Будагян, А. А. Шерченков, А. Е. Бердников, В. Д. Черномордик. Микроэлектроника. 2000. Т.29. № 6. С.442−448.
- B.G.Budaguan, A.A.Aivazov, M.N.Meytin, A.G.Radosel'sky. «The perspectives of high-rate low frequency a-Si:H films deposition: solar cell application and stability control». Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. vol.485, pp.297−302.
- B.G. Budaguan, A.A. Aivazov, A. Yu Sazonov, A. A. Popov, and A. E. Berdnikov. «High-rate deposition of a-Si:H films in 55 kHz glow discharge: growth mechanisms and film structure». // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1997. vol. 467. pp. 585−590.
- Ю.Н. Коркишко, А. Г. Борисов, Н. Г. Никитина, JI.C. Суханова, В. З. Петрова, «Методы исследования состава и структуры материалов электронной техники», часть 1, М. МГИЭТ (ТУ). 1997. 256 с.
- JI. Фелдман, Д. Майер. «Основы анализа поверхности тонких пленок». М.: Мир. 1989. 344 с.
- Kniffler N., Schroeder В., Geiger J. «Vibrational spectroscopy of hydrogenated evaporated amorphous silicon films» // J. Non-Cryst. Solids. 1983. vol.58, pp.153−163.
- Реймер Дж., Петрич M. «Структурные неоднородности в аморфных гидрированных полупроводниках приборного качества». В кн.: «Аморфный кремний и родственные материалы» / Под. ред. Х.Фрицше. М.: Мир. 1991. С. 1339.
- Абрагам А., Блини Б. «Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов». T.l. М.: Мир. 1972. 651 С.
- Штуцман М., Бигельсен Д. «Микроскопическая структура дефектов в a-Si:H и родственных материалах» В кн.: Аморфный кремний и родственные материалы. Под ред. X. Фрицше. М: Мир. 1991. С.257−289.
- Morimoto A., Tsujimura Y., Kumeda М., Shimizu Т. «Properties of hydrogenated amorphous Si-N prepared by various methods» // Jpn. Journ. Appl. Phys. 1985. Vol.24, pp. 1394−1398.
- Stutzmann M. «On the structure of dangling bond defects in silicon». // Z. Phys. Chem. 1987. vol. 151. pp. 211−222.
- Б.Г. Будагян «Особенности структуры и физические свойства неупорядоченных полупроводников». Учебное пособие. М: Миэт. 1994. С. 95.
- Н. Мотг, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982. 662 с.
- JI. Лей Фотоэмиссия и оптические свойства// В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1988. Вып. 2. С. 86−216.
- D.S.Shen and S. Wagner, J. Appl. Phys. 78, 278 (1995).
- M. Шур. Физика полупроводниковых приборов. T. l М.: Мир, 1992. 480с.
- К.В. Шалимова. «Физика полупроводников». М.: Энергоиздат. 1985. 391 с.
- Vanechek М., Kocka J., Stuchlik J., Kozisek Z., Stika О., Triska A. «Density of states in undoped and doped glow discharge a-Si:H» // Solar Energy Mater., vol 8, (1983), pp. 411−423.
- Кочка Й., Ванечек M., Триска А. «Энергия и плотность состояний в щели подвижности a-Si:H» // В кн: Аморфный кремний и родственные материалы. Под ред. X. Фрицше. М: Мир. 1991. С.189−222.
- А.Г. Казанский. «Неравновесные фотоэлектрические процессы в аморфном гидрированном кремнии» // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. 1992. Москва. 461 с.
- G. Sasaki, S. Fujita, A. Sasaki «Gap-states measurement of chemically vapour-deposited amorphous silicon: High-frequency capacitance-voltage method», J. Appl. Phys. 53 (2), 1982, pp. 1013−1017.
- D. К. Sharma, К. L. Narasimhan «Analisis of high-frequency capacitance of amorphous silicon-crystalline silicon heterojunctions», Phil. Mag. B, 63 (1991), pp. 543−550.
- A.B. Бирюков. «Электрофизические свойства и природа локализованных состояний в гетеропереходах на основе a-Si:H и его сплавов» // Диссертация на соискание ученой степени кндидата технических наук. 2000. Москва. 174 с.
- Б.Г. Будагян, А. А. Айвазов. «Физико-химические основы базовой технологии получения аморфного гидрогенизированного кремния». М. МГИЭТ (ТУ). 1996. 60 с.
- Н. Mimura, Y. Hatanaka. Japanese Journal of Applied Physics., 24(5), L355, (1985).
- A. J. Harris, R.S. Walker, and R. Sneddon. J.Appl.Phys.51 (8), August 1980.
- Ю.Н. Николаев, В. Ю. Рудь, Ю. В. Рудь, Е. И. Теруков. Фоточувствительность гетероконтактов a-Si:H/n-InSe. ФТП, т. 34, вып. 6, 2000. С. 704−706.
- Ю.Н. Николаев, В. Ю. Рудь, Ю. В. Рудь, Е. И. Теруков. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах a-Si:H/p-CuInSe2. ФТП, т. 34, вып. 6, 2000. С. 685−687.
- Ю.Н. Николаев, В. Ю. Рудь, Ю. В. Рудь, Е. И. Теруков. Поляризационная фоточувствительность гетеропереходов a-Si:H/c-Si. ФТП, т. 34, вып. 7, 2000. С. 818−821.
- Ю.Н. Николаев, В. Ю. Рудь, Ю. В. Рудь, Е. И. Теруков. Фотовольтаический эффект в гетероструктурах a-Si:H/n-InSe. ФТП, т. 34, вып. 9, 2000. С. 1105−1108.
- Шерченков A.A., Будагян Б. Г., Мазуров A.B. «Влияние содержания углерода на механизмы токопереноса в гетероструктурах a-SiC:H/c-Si» Тезисы докладов. IV Международная научно-техническая конференция, МИЭТ, 19−21 ноября 2002 г. С. 308.
- Мазуров А.В. Электрофизические свойства гетероструктур a-SiGe:H/c-Si. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника». Зеленоград, 19−30 ноября 2001 г. С. 43.
- А. А. Шерченков, Б. Г. Будагян, А. В. Мазуров «Влияние концентрации германия на свойства гетероструктур a-SiGe:H/ c-Si «Журнал «Перспетивные материалы 2003 г., № 3».С. 24−30.
- J. Bullot, M. P. Schmidt. Phys. Status Solidi В 143 (1987) 345.
- H. Wieder, M. Cardona, C. R. Guarnieri. Phys. Status Solidi В 92 (1979) 99.
- Brodsky M.H., Cardona Manuel, Cuomo J.J. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering. Phys. Rev. В, T. 16, № 8, 1977. C. 3556−3571.
- Langford A.A., Fleet M.L., Nelson B.P., Lanford W.A., Maley N. Infrared absorption strength and hydrogen content of hydrogenated amorphous silicon. Phys. Rev. В, T. 45, № 23, 1992, pp. 13 367−13 377.
- Furukawa Shoji, Matsumoto Nobuo. Estimation methods for localized-state distribution profiles in undoped and phosphorous-doped a-Si:H. Phys. Rev. В, T. 27, № 8, 1983. C. 4955−4960.
- Pollard W.B., Lucovsky G. Phonons in polysilane alloys. Phys. Rev. B, 1982, T. 26,№ 6.C. 3172−3180.
- Freeman E.C. and Paul William. Infrared vibrational spectra of rf-sputtered hydrogenated amorphous silicon. Phys. Rev. В T. 18, № 8, 1978, pp. 4288−4300.
- Ouwens J. Daey, Schropp R.E.I. Hydrogen microstructure in hydrogen amorphous silicon. Phys. Rev. В, T. 54, № 24, 1996, pp. 17 759−17 762.
- Lucovsky G., Nemanich R.J., Knights J.C. Structural interpretation of the vibrational spectra of a-Si:H alloys. Phys. Rev. В, T. 19, № 4, 1979, pp. 2064−2073.
- Shanks M., Fang C.J., Ley L., Cardona M., Demond F.J., Kalbitzer S. Infrared spectrum and structure of hydrogenated amorphous silicon. Phys. Stat. Solidi (В), T. 100, № 1, 1980, pp. 43−56.
- E. Morgado, Phyl. Mag. В 63, 529 (1991).
- К. Зеегер. «Физика полупроводников». М.: Мир. 1977. 616 с.
- Е. N. Economou, D.A. Papacostantopoulos. Phys. Rev. B14, 620 (1976)
- D.A. Papacostantopoulos, E. N. Economou. Phys. Rev. B24, 7233 (1976)
- W.E. Pickett, D.A. Papacostantopoulos, E. N. Economou. Phys. Rev. B28, 2232 (1983).
- K.F. Feenstra et al., 12nd World Conference and Exibition on Photovoltaics Solar Energy Conversion, 6−10 July, 1998, paper No VD1.19
- M. Shanks, C. J. Fang, L. Ley, M. Cardona, F. J. Demond, S. Kalbitzer, Phys. Stat. Solidi B, vol. 100 1 (1980)43−56.
- Morimoto, T. Miura, M. Kumeda, T. Shimizu, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 21, (1982), L.2.
- R.S. Sussmann, R. Ogden, «Photoluminescence and optical properties of plasma deposited amorphous Sij. xCx alloys», Phil. Mag. B, vol 44 (1981), p. 137.
- T. Fuji, M. Yoshimoto, T. Fuyuki, H. Matsunami, Jap. J. Appl. Phys. 36 (1997), p. 289.
- Matsuda, Y. Yamaoka, S. Wolf, M. Koyama, Y. Imanishi, H. Kataoka, H. Matsuura, K. Tanaka, J. Appl. Phys. 60 (1986), p. 4025.
- A. Desalvo, F. Giorgis, C.F. Pirn, and E. Trecco, P. Rava, R. Galloni, R. Rizzoli, and C.Summonte. J. Appl. Phys. 81 (12), 15 June 1997.
- I.Solomon, L.R.Tessler. Very high-gap tetrahedrally coordinated amorphous silicon-carbon alloys. MRS Proc., 1994, Vol. 336, pp.505−510.
- S. J. Jones, Y. Chen, D. L. Williamson, R. Zedlitz, G. Bauer. Microstructural transition and degraded opto-electronic properties in amorphous SiGe: H alloys. Appl. Phys. Lett., 1993, vol. 62, #25, pp. 3267−3269.
- B. G. Budaguan, A. A. Sherchenkov, A. E. Berdnikov, J. W. Metselaar, A. A. Aivazov. The properties of a-SiC:H and a-SiGe:H films deposited by 55 kHz PECVD. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 557, 1999, pp. 43−48.
- Yu-Pin Chou and Si-Chen Lee. J. Appl. Phys., 83 (8), 4111 (1998).
- P.Wickboldt, D. Pang, W. Paul, J.H.Chen, F. Zhong, C.-C.Chen, J.D.Cohen, D.L.Williamson. High performance glow discharge a-Si (.xGex:H of large x. J. Appl. Phys., 1997, Vol. 81, No 9, pp.6252−6267.
- MacKenzie K.D., Eggert J.R., Leopold D.J., Y.M. Li, Lin Y.M., Paul W. «Structural, electrical and optical properties of a-Sii.xGex:H and an infrared electronic band structure», Phys. Rew. B, vol. 31 (1985), pp. 2198−2212.
- Dong N.V., Dank Т.Н., Leny J.Y., J. Appl. Phys., vol. 52 (1981), p. 338.
- Роуз А. Основы теории фотопроводимости.-М.: Мир 1966.-192 с.
- Р. Срит, Д. Бегельсон. Спектроскопия локализованных состояний// В кн.: Физика гидрогенизированного аморфного кремния. М.: Мир, 1988 г., вып. 2 С. 247−328.
- Аморфный кремний и родственные материалы, под ред. X. Фрицше. // М. Мир, 1991, 544 с.
- P. Viktorovitch, G. Moddell, W. Paul. In: Tetrahedrally Bonded Amorphous Semiconductors (R.A. Street, D.K. Biegelsen, D.K. Knights, eds.) 1981, p. 186.
- A.B. Мазуров «Электрофизические свойства гетероструктур a-SiC:H/c-Si» Тезисы докладов, Одиннадцатоя всеросийская межвузовскаянаучно-техническая конференция студентов и аспирантов (Зеленоград, 21−23 апреля 2004 г.). С. 51.
- Справочник «Физические величины». Под редакцией И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. 1991 г. С. 1231.
- Мазуров А.В., Шевченко М. В. «Моделирование вольт-амперных характеристик гетероструктур a-SiGe:H/c-Si» Тезисы докладов, Десятая всеросийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Зеленоград, 23,24 апреля 2003 г.). С. 63.
- B.G.Budaguan, A.A.Sherchenkov. Near-infrared tunable response photoetectors based on amorphous/crystalline silicon heterostructures prepared by the r.f. magnetron sputtering technique. // Thin Solid Films. 1997. Vol. 299. P. 173−177.
- J.P.Kleider, C. Longeaud, P. Roca i Cabarrocas, P. St'ahel, P.Sladek. Low defect density a-SiGe:H alloys for Solar cells. Proc. 2nd WCPSEC, Vienna, 1998, Vol.1, pp. 838−841.
- Шерченков А. А., Будагян Б. Г., Мазуров А. В. «Механизмы токопереноса и свойства гетероструктур a-SiC:H/c-Si» Сборник трудов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» Санкт-Петербург 5−7 июля 2004 г. С.57−58.