Идентификация механизмов токопереноса структур Me-a-Si: H при автоматизированной обработке экспериментальных данных тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНТАКТА МЕТАЛЛ - АМОРФНЫЙ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ.

1.1. Актуальность применения аморфного гидрогенизированного кремния.

1.2. Влияние плотности состояний в щели подвижности на процессы формирования барьера металл-аморфный гидрогенизированный кремний.

1.3. Профиль потенциального барьера.

1.4. Экспериментальные результаты определения высоты барьера.

1.5. Механизмы переноса носителей заряда в системе Ме-а-Si:H-Me.

1.6. Обоснование применения средств вычислительной техники для обработки экспериментальных данных исследования контакта металл - аморфный гидрогенизированный кремний.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИДЕНТИФИКАЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ ТОКОПЕРЕНОСА Me-a-Si:H.

2.1. Анализ исходной информации механизмов переноса заряженных частиц через контакт Me-a-Si: Н.

2.2. Методика идентификации механизма переноса заряженных частиц на контакте Me-a-Si: Н.

2.3. Планирование эксперимента по идентификации механизма переноса заряженных частиц в структуре металл-аморфный гидрогенизированный кремний.

Выводы.

3. ПРОГРАММНОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНТАКТА Ме-а-Si:H.

3.1. Пакет прикладных программ для обработки результатов экспериментальных исследований контакта Me-a-Si:H.

3.2. Контроллер установки исследования контакта.

Выводы.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОНТАКТНЫХ БАРЬЕРОВ МЕТАЛЛ-АМОРФНЫЙ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ (Me-a-Si:H).

4.1. Подготовка экспериментальных структур Me-a-Si:H.

4.2. Методика проведения эксперимента.

4.3. Результаты компьютерной обработки экспериментальных данных.

Выводы.

Актуальность темы. Высокий уровень качества радиоэлектронных устройств (РЭУ) во многом зависит от изучения и внедрения новых материалов, обладающих конкурентно способными значениями основных параметров. К таким материалам можно отнести аморфные полупроводники. Исследование электронных процессов в аморфных полупроводниковых материалах является в настоящее время одним из актуальных направлений развития микроэлектроники. Повышенный интерес, который проявляется в последнее время к изучению аморфных полупроводников, обусловлен в первую очередь их широким практическим применением. Одним из наиболее важных и перспективных неупорядоченных материалов является гидрогенизированный кремний (a-Si:H). Объем производства приборов и устройств на его основе значительно превышает использование других материалов данного класса. Наиболее часто a-Si:H используется для создания: электрофотографических слоев, солнечных элементов, матриц тонкопленочных транзисторов для жидкокристаллических индикаторов и различных датчиков. С практической точки зрения неупорядоченные материалы обладают весьма существенными преимуществами по сравнению с кристаллическим полупроводникам: сравнительно низкие температуры технологического процесса и достаточно высокие скорости роста слоев хорошего (приборного) качества; возможность формирования в одном технологическом цикле приборов даже на гибкой подложке с большой площадью рабочей поверхности (до нескольких десятков квадратных метров); возможность управления свойствами аморфного полупроводника и прибора на его основе за счет изменения параметров технологического процесса.

Однако эксперименты показывают, что реализация перечисленных преимуществ не гарантируется одним лишь выбором стандартных технологических режимов, которые позволяют получать слои некристаллического полупроводника. На оптимизацию технологий с целью получения материала приборного качества часто уходят целые месяцы экспериментов, так как потенциальное преимущество технологии некристаллических материалов - зависимость свойств от условия получения -приводит к резкому увеличению параметров оптимизируемого процесса. Существующие технологические установки для роста некристаллических полупроводников, как правило, имеют до десятка каналов управления технологическими режимами. Это, в свою очередь, задает соответствующее число факторов эксперимента и определяет большой объем параметров, требуемый для оптимизации технологии пробных реализации. Многочисленные эксперименты показали, что даже при малых (в пределах погрешности эксперимента) вариациях параметров процесса осаждения, оптимизируемый параметр растущего слоя материала может претерпевать резкие изменения. Таким образом, весьма актуальной как с научной, так и с практической точки зрения является задача разработки новых подходов к описанию взаимосвязи между условиями получения и свойствами неупорядоченных полупроводников. Решение данной задачи заключается в проведении новых экспериментов, их обработки и в выявлении идентифицирующих параметров для каждого из механизмов переноса заряженных частиц в структурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Для этого необходимы методики анализа результатов и математические модели механизмов токопереноса контакта Me-a-Si:H.

Целью диссертационной работы является идентификация доминирующих механизмов токопереноса в структурах металл - аморфный гидрогенизированный кремний при автоматизированной обработке экспериментальных данных.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие механизмы токопереноса контакта металл - аморфный гидрогенизированный кремний и выявить их физико - математические модели.

2. Подобрать аппроксимирующие функции для возможных механизмов токопереноса, позволяющие с минимальной погрешностью моделировать экспериментальные зависимости.

3. Разработать методику идентификации механизмов токопереноса по результатам экспериментальных исследований.

4. Разработать программное обеспечение для получения и обработки результатов экспериментальных исследований контакта Me-a-Si:H.

Методы исследования. При проведении исследований использовался аппарат математической статистики, включая:

• рекуррентный метод наименьших квадратов;

• робастные методы и оценки;

• регрессионные модели.

Научная новизна:

• создан алгоритм идентификации механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл - аморфный гидрогенизированный кремний;

• разработан комплекс статистических моделей механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл - аморфный гидрогенизированный кремний;

• получены интервалы возможного нахождения тангенса угла наклона аппроксимирующей прямой зависимости тока от обратной температуры: надбарьерная 4.9.6.5, генерация рекомбинация 8.9.11.7.

Положения, выносимые на защиту; •результаты анализа отличительных характеристик и значений коэффициентов математических моделей физических механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл - аморфный гидрогенизированный кремний;

• алгоритм идентификации механизмов переноса заряженных частиц в структурах металл - аморфный гидрогенизированный кремний;

• статистические модели механизмов токопереноса заряженных частиц в структурах металл - аморфный гидрогенизированный кремний и программное обеспечение для автоматизированной обработки экспериментальных данных;

• идентифицированы следующие механизмы переноса заряженных частиц: в структурах Т1,Т2,Т4 - эмиссия Шоттки; Т6,Т10 - эмиссия генерации - рекомбинации; Т8 - туннельная эмиссия; Т7,Т9 - ТОГО; ТЗ, Т5 -омическая проводимость.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается:

• применением достоверных методов теории вероятности и математической статистики;

• использованием известных физических моделей механизмов переноса заряженных частиц через контактный барьер Me-a-Si:H;

• совпадением результатов автоматизированной идентификации механизмов токопереноса эталонных структур с результатами, полученными другими методами, не поддающимися алгоритмизации.

Практическая ценность работы. Разработана методика идентификации механизмов переноса заряженных частиц контакта металл -аморфный гидрогенизированный кремний.

Создано программное и аппаратное обеспечение для автоматизированной обработки экспериментальных данных структур на основе контакта металл -аморфный гидрогенизированный кремний.

Разработаны статистические модели, описывающие механизмы переноса заряженных частиц контакта металл - аморфный гидрогенизированный кремний, позволяющие описывать физические процессы при различных возможных наборах данных, с целью обеспечения контроля качества.

Разработана библиотека объектов на языке Delphi, реализующая отображение и обработку экспериментальных данных аморфного гидрогенизированного кремния и позволяющая встраивать их в любые программы, написанные на Delphi.

Создана база данных результатов статистической обработки экспериментальных данных структур на. основе контактов металл -аморфный гидрогенизированный кремний, позволяющая увеличить вероятность идентификации механизмов переноса заряженных частиц контакта металл - аморфный гидрогенизированный кремний. Созданная база данных и ее дальнейшее пополнение экспериментальными результатами, полученными в различных лабораториях мира, позволят более точно определить критерии оптимальности технологического процесса.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы на Рязанском заводе металлокерамических изделий при определении механизмов токопереноса барьерных структур на основе контакта металл - аморфный кремний путем автоматизированного анализа экспериментальных данных. Пакет программ для обработки экспериментальных данных структур металл-аморфный гидрогенизированный кремний, представленный в диссертации, внедрен и используется в учебном процессе, на кафедре "физики и технологии электротехнических материалов и компонентов" Московского энергетического института (специальность 2001).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1.1-я Всероссийская научно - техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", 1999г., г. Нижний Новгород.

110 выводы

В настоящей главе описаны способы и условия получения тестируемых структур, а именно:

1. Получение гидрогенизированных пленок аморфного кремния методом разложения силановой смеси в плазме тлеющего разряда (TP).

2. Получение гидрогенизированных пленок аморфного кремния методом высокочастотного ионоплазменного распыления кремниевой мишени (РР).

Были рассчитаны погрешности измерения значений тока, напряжения, сопротивления, ёмкости, освещенности в измерительных каналах, а также оптимальное количество проводимых испытаний равное 10.

Приведены результаты автоматизированной обработки десяти структур: Al/a-Si:H/W; Al/a-Si:H/W; Al/a-Si:H/V; Au/a-Si:H/Nb; Al/a-Si:H/Cu; Au/a-Si:H/Ni; Al/a-Si:H/Cr; Au/a-Si:H/Nb; Al/a-Si:H/Al; Au/a-Si:H/Nb. Наиболее подробно в качестве примера рассмотрена структура Al/a-Si:H/Al.

Результаты обработки экспериментальных данных пакетом прикладных программ (ППП) DETMED доказали работоспособность ППП и заложенного в его основу алгоритма идентификации.

В случае надежной идентификации механизмов прохождения, появляется возможность контролировать качество получаемых барьерных структур на аморфных полупроводниках, регистрируя надбарьерную эмиссию Шоттки (в случае "активного" барьера металл-а-БпН ) и квадратическую проводимость в случае получения квазиомического контакта для структуры p-i-n солнечного элимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сформулировать основные выводы и результаты:

1. Проведен анализ существующих физических и математических моделей механизмов переноса заряженных частиц через контакт Me-a-Si :Н-Ме. В результате чего были выделены характерные признаки, позволяющие идентифицировать каждый из пяти механизмов токопереноса.

2. Проанализированы существующие математические методы обработки экспериментальных данных, среди них были выбраны следующие статистические методы:

• Регрессионные модели механизмов переноса заряженных частиц в контакте (Me-a-Si: Н).

• Оценивание параметров функции отклика по наблюдениям неполного ранга.

• Регуляризующие свойства рекуррентного метода наименьших квадратов.

3. Разработана методика идентификации механизмов переноса заряженных частиц через контакт Me-a-Si:Н-Ме.

4. Разработано аппаратное обеспечение, позволяющее полностью автоматизировать процесс измерения параметров исследуемого образца, с последующей их записью в базу данных.

5. Разработан пакет программ "Обработка экспериментальных данных аморфного гидрогенизированнного кремния (Me-a-Si:H)" (DETMED), позволяющий обрабатывать экспериментальные данные структур на основе аморфного гидрогенизированного кремния. С помощью пакета были обработаны экспериментальные данные десяти тестовых структур.

1. Аморфные полупроводники//под ред. Хейванга.

2. Аморфные полупроводники и приборы на их основе//Под. ред. Хамайковы И. М.: Металлургия 1986. С.376.

3. Гибадатов И.Ю. Неравновесные процессы в барьерных слоях некристаллических полупроводников дисс. канд. техн. наук//Рязань. РРТИ. - 1991.

4. Shirashi Т., Iida M.I., Shinohava К., Adler D. Electrical conduction mechanisms in amorphous GeTe thin films//J. Non- Cryst. Sol. 1981.-Vol. 45 №2-P.169-181.

5. Andrisesh A.M., Arkhipov V.I., Iovu M.S., Rudenko A.I., Shutov S.D. Anomalous transient photocurrent in disordered semiconductors: theory and experiment// Sol. St. Commun. -1983.-Vol. 48 № 12-p.l041-1043.

6. Родерик Э.Х. Контакты металл полупроводник: Пер. с англ./Под ред.Г.В. Степанова-М.:Радио и связь. 1982.-С.208.

7. Д. Карлсон, К. Вронски: Солнечные батареи из аморфного кремния/ Под ред. М. Бродски.-М.: Мир. 1982. С.424.

8. Вихров С.П., Вишняков Н.В., Маслов А.А Особенности формирования барьера металл-аморфный гидрогенизированный кремний//Известия ВУЗов. Электроника.№3. 2000. С.48-54.

9. Маслов А.А., Вишняков Н.В. Релаксационные процессы в контактах металл аморфный полупроводник////докл. межд. конф. «Релаксационные явления в твердых телах». Воронеж. 1999. С.87-88.

10. Вишняков Н.В. Контактные явления в структурах металл -аморфный гидрогенизированный кремний: дисс. канд. техн. наук,- Рязань, РРТИ.1993.

11. Нагельс П. Электронные явления в аморфных полупрводниках//в кн. Аморфные полупроводники/ под ред. Н. Бродски. М.: Мир, 1982. С.424.

12. Effeckts of tunneling on a-Si:H Shottky Barriers/ L. Mariucci, C. Colurra, A. Frova// f. Appl. Phys. 1987. Vol 62. №8. P.3285-3287.

13. Цветков А.Ф. Планирование эксперимента. Теория и практика: Учеб. Пособие для вузов. Рязань: РГРТА, 1998.

14. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. М.:Наука, 1972.368 С.

15. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. 192 С.

16. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

17. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968.

18. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. С.248.

19. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной реграссионный анализ. В2 кн.: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика. Кн. 1, 1986; Кн. 2, 1987.

20. Ферстер Э., Рену Б. Методы регрессионного и корреляционного анализа. М.: Финансы и статистика, 1983.

21. Статистические методы в инженерных исследованиях: Учеб. пособие для вузов/ В.П. Бородок, А.П. Вощинин, А.З. Иванов и др. М.: Высш. школа, 1983. С.216.

22. Краснощеков П.С., Петров А.А. Принципы построения моделей. М.: Издательство МГУ, 1983.

23. Львович Я.Е., Фролов В.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭА: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986. С.192.

24. Борисов Ю.П., Цветков В.В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств. М.: Радио и связь. 1985.

25. Зейдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. Д.: Наука, 1971. 108 С.

26. Закс Л. Статистическое оценивание. М.: Статистика, 1976.

27. Математическая теория планирования эксперимента/Под ред. С.М. Ермакова. М.: Наука, 1983.

28. Себер Дж. Линейный реграссионный анализ. М.: Мир, 1980.

29. Шалыгин А.С., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. Л.: Машиностроение, 1986.

30. Аппроксимация: алгоритмы, программы: Методические указания / РРТИ; Сост. М.П. Булаев, Рязань, 1993.

31. Чураков Е.П. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Учеб. пособие для вузов. Рязань: РГРТА, 1991.

32. Галкин В.Я., Уфимцев М.В. Монте-Карловское исследование многомерных робастных оценок параметра сдвига/УМатематическая статистика и ее применения. 1981. № 7. С.20-23.

33. Устойчивые статистические методы оценки данных /Под. ред. Р. Лонера, Г. Уилкинсона. М.: Машиностроение, 1984.

34. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974.

35. Тихонов А.Н., Уфимцев М.В. Статистическая обработка результатов экспериментов. М.: МГУ, 1988.

36. Лебедев А.Н. Моделирование в научно технических исследованиях. М.: Радио и связь, 1989.

37. Канту М. Delphi. Руководство разработчика.-М.:ВЕК, Десс, Энтроп, 1999.-752 стр.

38. Калверт Ч. Delphi 2. Энциклопедия пользователя.-Киев. :ДиаСофт, 1996.-73 6С.

39. Калверт Ч. Delphi 4. Энциклопедия пользователя.-Киев.: ДиаСофт, 1999.-800С.

40. Минаеи М. Графический интерфейс пользователя: секреты ипроектирования.-М.:Мир, 1996.-160С.

41. Обзор комплекта модулей MCU4. http://www.fractal.com.ru/HTML/MCU4.htm

42. AT89S53 In-System Programmable Microcontroller with 12k bytes Flash, http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc0787.pdf

43. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет.// Под ред. Коршуна И.В.— М:«Аким», 1998. — 272 с.

44. Описание Fractal-BASIC. http://www.fractal.com.ru/HTML/Fractal-BASIC/Basdoc.htm

45. The I2C-bus specification. http://www.semiconductors.eom/acrobat/various/I2CBUSSPECIFICATION3.p

46. PIC 16F873/4/6/7 Datasheet. http://www.microchip.com/download/lit/pline/picmicro/families/16f87x/30292c.pd

47. Вольтметр-электрометр универсальный B7-30 : техническое описание и инструкция по эксплуатации.-1987.

48. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1990. 288 с.

49. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешности результатов измерений. 2-е изд. перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1991. 304 с.

50. Кунце X.- И. Методы физических измерений / Пер. с нем. М.: Мир, 1989.216 с.

51. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений / Пер с нем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 88 с.

52. Варне Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами / Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 228 с.

53. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом элек-рромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

54. Зубков М.В. Резонансная релаксационная спектроскопия глубоких уровней / Дис. канд. техн. наук: 01.04.10. Рязань, 1989. 226 с.

55. Бодягин Н.В. Закономерности эволюции неупорядоченных полупроводников и технология элементов памяти на-основе a-si:H / Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.04.10. М. 1990. 210 е.

56. Лигачев. В.А. Морфология и электрофизические свойства гидрогенизированного аморфного кремния, получаемого плазменным методом / Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.04.10. М., 1987. 261 с.

57. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента / Пер. с англ. Под ред. В.В. Налимова. М.: Мир. 1967. 406 с.

58. Бабуров Э.Ф., Куликов Э.Л. Мариигодов В. К. Основы научных исследовании. Киев: Выща шк. Головное из-во. 1988. 230 с.

59. Радкевич И. А. Организация и планирование научных исследованй : Учебное пособие. М.: изд-во МФТИ, 1986. 214 с.

60. Данеш П., Банчев Б. Микропоры в a-Si:H // Аморфный кремний и родственные материалы / Под. ред. X. Фрицше. М: Мир. 1991. С.40-49.

61. Вихров Д.С. Обработка экспериментальных данных аморфного полупроводника на ЭВМ//Информатика и приркладная математика: Межвуз. Сб./Рязань:РГПУ, 1998. -С.17.

62. Вихров Д.С. Этапы обработки экспериментальных данных аморфного гидрогенизированного кремния на ЭВМ//Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тез. докл. I

63. Всероссийской научно-технической конференции. Нижний Новгород: НГТУ, 1999, - С.26.

64. Вихров Д.С. Новые технологии в решении экологических проблем/УЧеловек экология здоровье. Тез. докл. III Научно практической конференции. - Рязань: РГРТА, 1999. - С.47-48.

65. Вихров Д.С. Алгоритм идентификации механизмов прохождения тока в барьерах на неупорядоченных полупроводниках//Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвуз. Сб./- Рязань: РГРТА, 2000. С.25 - 27.

66. Вихров Д.С. Компьютерная обработка результатов физического эксперимента по исследованию барьерных структур на аморфных полупроводниках//Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвуз. Сб./- Рязань: РГРТА, 2001. С.З - 7.

67. УТВЕРЖДАЮ» >ектор по учебной

68. АКТ ВНЕДРЕНИЯ Результатов кандидатской диссертации аспиранта Вихрова Дмитрия Сергеевичав учебном процессе в Московском энергетическом институте (техническом университете)

69. Зав. кафедрой ФТЭМК проф. с-"' Филиков В.А.

70. РОССИЙСКОЕ АГЕНТСТВО ПО ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)1. СВИДЕТЕЛЬСТВО

71. Об официальной регистрации программы для ЭВМ2000610030у '' , / 7 ✓ / '"У, ' 'Л

72. Оораоотка экспериментальных данных аморфного гидрогенизированного кремния (Me-a-Si:H)" (DETMED) /;>;- / ' " ' у*' 7

73. Поавообладатель(ли): ' ; ^ ' ^ "; ®ихЫ ЮмнтШ CdteeSni (RU) '1. Автор(ы): , ' ' ,, 'пфв Юмтфп4 C4ue6ui (RU) /ГГ

74. Страна: Российская Федерация ' 'по заявке № 990888. дата поступления: 18 ноября 1999 г. ' X /

75. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМг. Москва, 18 января 2000 г.1. J(Шкальный (jf ufwfimxji