Исследование оптических и фотоэлектрических свойств аморфных тонкопленочных материалов a-Si1-xCx:H и активных приборных структур на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АКАДЕМИЯ НАУК ТУРКМЕНИСТАНА

РГ6 ОД» ИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

г 1 сои ^

На прзрях рукспгск

ХАНОВ Джумамурад

УДК 621.315.592

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АМОРФНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ а—5|,_ГС..: Н И АКТИВНЫХ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ

(01.01.10 — Физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

АШГАБАТ — 1993

Работа, выполнена в Физшга-тохннчзском янотатутв т, А.Ф Роосайокой Академик иаук и з Института СолнвчноЦ гяергли Акодзмкч 'сельсксосозеаствацнш!.' наук Туркмадастана

.Научные руководители; доктор физако-матемагачаокшс наук, профессор АНДРЕЕВ А .А.

доктор твхнцчеоких наук ЧАРЫКУЛИЕВ А

»■. Официадыше оппонент* j доктор физико-математических наук РУДЬ Ю.Б,. (ФГИ Ш1.А.Ф.Ио$фе РАН, г.С-Пехербург)

кандидат фкзшсо-штематичвскшс наук KAPJUKB A.I:-(ФШ Ш, г.Ашгайат)

Ваддая организация; Казахокий Гооударотвашшй Университет (г.Адыа-Ата)

Задата диссертации состоится " сентября 1993 г.' в

часов "QР" мин. на заоедашш Специализированного оовета по заяито диссертаций на соискание ученей степени доктора наук при Физико-тзхгшческш ялсздаутс All Туриааннотаиа (744000, т.Ашгабат, ул.Гоголи 15, ФГИ /Ш,

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной бкйяяотеке аЛГ.

Автореферат разослан " 4 1 1993 г.

Учоний секретарь Специализированного совета, д.ф-м.и.

СЕРШ08 U.O.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЯБОГО

1.1. Актуальность темы.

Аиорфшо гидрпгенизировакша полупроводники в посл'едкее десятилетие прочно ноили в арсенал материалов современней электронной техник;!. Наиболее утпердкшшеся позиции эти материалы .завоевали в индустрии прямого фотоэлектрического преобразования солнечной анергии и в оптозлектронике в качество трзнаисторт1х-" матриц управления зидко-кристаллическиш трехцветными плоскими ТВ^зкранзми. Известен и ряд других важнейших приложения, на ко— тормх мы остановимся позяе. Бозоеш объектом класса аморфных гидрогенипирояонных полупроводников является оморфюП хреший з - ¿t:H. Его сщгтникоки в области' хеиьшх auipira зон - аморЬшЙ германий, в области больших зон - сплава кре;я1ий-углерод и аморфный углерод. В отличие от а - St:Н, эти сопутетвувшие материалы значительно ыенео'изучены. Но решены деже многие проблем!! их технологии. С другой.стороны, о та материалы чрезвычайно пзкиы и как самостоятельные с отличной'шириной, зоны, так и как гетеропары к аморфней кремния. В свете сказанного представляется актуальной задача исследования-этих материалов. В настоящей диссертации внимание сосредоточено на кирокоэсннмх аморфних полупроводниках системы ( ¿1- С):Н.

Целью роботы является разработка технологии получения пленочных материалов а - äi i_xC„:H при X « .0 4 I, исследование их оптических и фотоэлектрических свойств, создание поверхноогно-барЬорннх , и р - 1-(г- структур но основе этих мйтериалон, исследованиемеханизма токолереносо в структурах !f применений £ оптозлектронике» '

-J-

Объектом исследования являются аморфные гидрогенизированные сплавы "'о - ¿>2_К0Х:Н рс всей диапазоне изменения X от 0 до I, то есть включены однокомпонентные материалы а - и

а - С:Н. 'Объектами исследования являются активные приборные структуры на основе перечисленных материалов: поверхностно-барьерные, и р -1-а - структуры, инфекционные светодиоды и фотопреобразователи на базе этих структур.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью работы можно сформулировать и те основные задачи, которые необходимо было решить для её достижения:

1. Разработка технологии получения сплавов а - £'ц_хСх:Н. Эта большая задача включает и создание специализированной-экспериментальной установки для плазмохимического разложения реакционных газовых компонент - силана и метена и оптимизацию многопараметрического технологического процесса получения различных материалов.

2. Характеризация тонкопленочных аморфных материалов

а - :Н. Эта задача также обширна, т.к. предполагает изме-

рения большой совокупности свойств пленок, среди которых важнейшими для данной работы являются оптические, фотоэлектрические и фотолюыинесцейтные.

3. Создание '.активны* приборных структур. Имеются ввиду структуры со встроенным ютенциалом, нэличие которого обеспечивает и шае;сциснние и фоговольтаические спойстэа, * Для решения

втой задачи было необходимо, в свор очередь, изучить возмгяшооть формирования поиерхноотно-бррьррнкх структур для обогащенных углеродом, наиболее широкозонных сплавов изучаемой системы, для

-Ч- .

'¡■огирнх эффект легировэшш не установлен, и для сплявоя с сйс?а-док, близким к стехиометрии карбида. кремния и обогащениях крем-' иие», попытаться изготовить р -1-п. структуры. '

4. Исследование инфекционных свойств структур и анализ Механизма переноса токо в р - I - п. переходах.

5. Исследование олтоэлектроннш: и фотовольтаических свойств р - I. - а структур, определение базовых параметров. '

Основные результаты работы.

1. Показана высокая эффективность ультрэвысокочастотного ■ плазменного разряда в магнитном поле для диссоциации и ионизации газовой смеси из компонент с различны:«! значениями коэффициентов диссоциация (смеси силан-кетан), что позволило получить непрерывная ряд твердых растворов з системе гидрогенизйрованннй аморфный крекний ~ гидрогенизированный а«орф«Л углерод. При этом оптимизирована и технология крайних точек'системы а - 51:Н и а - С:Н,

2. Изучены оптические,фотоэлектрические и фотолюкпнесцентние свойства гидрогенизнрованных аморфных сплавов системы ¿1- С:

- показано, что оптическая ширина запрещенной зоны в сплавах

•М-х^х'** монотонно увеличйаается по "корэ обогогаения сплава углеродом от 1.7 оВ до З.б-эВ;

- установлено, что фотоэлектрические свойства - удельный сдвиг или фактор /Л (подвижность * врем кнзни) и фоточуветЕИ-телыюсть 6Г падают с ростск содертанкя в р.пявве угле-

■ Р0»8? <

- показано, что спектры стационарной йотолюкинесценции иярокозед-ных сплавов системы перекрйеапт видимый диапазон и могут нвблс* даться при комнатной температуре*

9',""Дяя.'сллавов о СХ:Н.. высокообогащеншлс углеродом

X > 0,6' и а - С:Н показана возможность.формирования поверхностно-барьерных структур типа барьер Шоттки и структур с туннельным диэлектриком МЗДП. Установлено, что структуры этого типа о1беспечивают-выпрямление с кратностью 10 при токах до 10"2 мД/см2.

... 4. Установлено, что методика глубокого водородного разбавления (5:10) легирующих смесей [ В^ + Щ С Н4(^ + СН4)() ] и [ РН3 ■+ 99^ ( ¿1 + )] в сочетании с техникой ^УВЧ - разряда позволяет получить слои р - и п. - типа для сплавов а - !Н со значением X в пределах 0 т 0.6.

Эффективность легирования падает с ростом X.

5. В результате технологического успеха по легированию получены р. г I - п. структуры с I -слоем а - Й*1-2_ХСХ:Н со значением X - 0.0 + 0,6. Для этого же диапазона составов получены структуры с горячими носителями типа р |г и , где

- туннельный диэлектрик.

6, Изучены темновые ВАХ р т1-ц структур разного типа и установлена специфика механизма инжекции в широкозонных р - I - а. Токоперенос в области и А (п-/©/1 ) или рЛ (р/2?/1 ) переходов осуществляется либо по схеме термополевого туннелиро-вания, либо полевого туннелированйя.

■ 7. Показан аффект инжекционной алектролюминесценции в видимой области спектра (пик - 620 цм) в р и р - 1-л. с диэлектриком' для широкозонных сплавов е - ¿¡.^^гН с X ■ 0.6.

В. Обнаружена сильнополевая электролюминесценция в толсты* структурах на основе а - С.;Н типа . ГГО/Д/ ¡., где 1Т0 -•• токопроводяший прозрачный окисел и - толстый диэлектрик ( > 1000 А).

9. Изучена раббта р - 1-п. структур но' о - ¿1' в фотовольтаическом режиме. Показано, что эффективность работ!} в фотовольтаическом режиме падает с ростом X, тем но менее вплоть до значений X = 0.6 ' работоспособность фотоприемникоэ о фотовольтаическом режиме ешё мсекет быть признана удовлетворительной.

10. Анализ световых ВАХ р-1-я структур выполнен" но основе дрейфовой модели собирания неравновесных носителей и определён удельный сдвиг фотоносителей п фотовольтаическом режиме -фг)ктор в зависимости от X.

11. Для фотопреобразователя малой ллоаади (5 км « 5 та).' нп' о -ЙГ-Н достигнут КВД преобразования 7.5* при освешшости ' ЛМ-2.

Научные положения, вьшосимыо на - зениту.

1. Метод получения тонкоплеНочних аморфннх материалов сложного состава а - (51- С):11 путем.плаомохикического разложенил смеси реакционных газов (Зс + С1ц), различавшихся козффициен-том диссоциашт, оеновэшшП на применении ульрзвысокочастотного разряда, стабилизировавшего магяитнш'полем.

2. Результаты по исследованию оптических, фотоэлектрических и фотолпиинесцентных свойств гаирокозошшх сплавов системы

а - (¿1 ~ С) :И; монотонная рост ь-ирины- эопрепвнной зоны с ростом содержания углерода и Т.Д. (см.пунк? 2 предыдущего раздела).

3. Экспериментальное обнаружение возможности формирования Поверхностно-барьерних структур типа барьера Шотпш и на шрокозонных сплавах а - ПРИ Х и X « I ~ а-С:Н.

- 4. 'Экспериментальное определение условий легирования сплавов "а - 1_хСх:Н ПРИ ^ и создание широкозонных р -{..-п. на основе этих сплавов. Структуры с туннельным инжектором — эмиттером. о - С:Н с Ё^. = 3.6 эВ в качестве туннельного диолектрика. Термололевой туннельный и полевой туннельный •механизмы инжекции в широкозонных р - I - п. и р'-Si.il. но

, 5. Наблюдение и характеризация эффекта ¡««секционной'электро-люминесценции в широкозонных р - I - а структурах на а-^1_ХСХ:Н.

б. Экспериментальное наблюдение и описание закономерностей изменения фотовольтаического эффекте в р - I - п. на а г ^*ч-хСх:Н. Дрейфовый механизм собирания неравновесных, носителей' в фотодиодных структурах на а - ^ ~ 0.6.

Практическая ценность.

Разработана технология получения малоизученной системы аморфных гидрогенизированных сплавов кремний-углерод. Показана возможность .создания поверхностно-барьерных и р -1 - а структур на основе широкозонных сплавов. Обнаружены достаточно эффективные инжекционные характеристики структур, обогащенных углеродом^ установлена специфика механивма токопереноса-. Наблюдены явления инжекционной и сильнополевой электролюминесценции. Показан фотовольтаический эффект в широкозонных р - I- п. и дрейфовый характер механизма собирания носителей тока в таких структурах. Все эти результаты могут-быть использованы в создании различных твердотельных приборов на широкозонных аморфных полупроводниках и в э.том состоит практическая ценность настоящей работы.

Приоритет результатов.

Представляемые к защите основные результаты по технологическому циклу получения аморфных.пленок а по фундаментальным исследования).«, этих пленок, по разработке активных приборных структур и связаннее с ними научные положения получена впервые.

Структура диссертации. .',

Диссертация состоит из 4-х глав, из которых 1-ая глава.-, - вводная, выводов к каждой главе, заключения и списка литературы' из 117 наименований.. Работа изложена на 185 страницах,■ включая 83 рисунков и 4 таблиц.

Содержание работа. ' -

В вводной главе обоснована актуальность теш, кратко сформулированы цели и задачи работы, изложены основные результата и . представленные к защите полояенкя^ В заключение главы дается развернутое обоснование работы и делается постсновка задачи.

Вторая глава посвящена изложению основних принципов технологии аморфных гидрированных полупроводников, конкретно сплзсоп . системы кремний-углерод, и описанию экспериментальной.тохнояоги-ческой методики.

В первом разделе главы дается кроткое обоснованно метода получения аморфных гидрированных пленок в процессе плазменного , разложения реакционных, газов силанэ или метанарассматривается . процессы, происходягае в газовой фазе, т.о. в области плазгйняо-го разряда, и гетерогенные процессы, протекашке на граница раздела газовал фаза - подлсака, т.е. процессы роста. Отмечается, что помимо, процессов диссоциации газовых компонент на фрагмент;;, являшиеся материалом для роста пленки в разрядном промежутке,

- 9- ■

ног/т,'Происходить' процессы типа пояиаеризоционных, ведущих к форсированна пшевигиаос кккрочостиц, которие внедряясь в плеши , ¡.¡орут ссости на нот сё ксчестпо. Рассмотрены пути подавления этого явления. Особое вникание уделено усложнению как процессов распада в-плазме, ток н ростовых в том случае, когда в реактор подается смесь реакционных газов с различными параметрами диссоциации. .' Шенно такой случай имеет место при работе со снесьа садзнз и'метана, необходимей для приготовлен)«! аморфных пленок 'системы кремний-углерод. Показывается, что в этом случае особенно трудно избежать полимеризации в газовой фазе, поскольку диссоциация метана требует повезенного знерговклада в плазменный разряд, что способствует форшровонив шкрочзстац. Отдельно рассмотрены условия роста микрокристаллических пленок. Эта тема особенно важна для получения высококачественных легированных слоев, необходвшх в дальнейшем при изготовлении р - 1-п, структур. В заключение раздела рассмотрены вопросы "химического" отжига пленок в атмосфера водородной плазмы и кцрашивэния алмазо-подобних пленок о - С:Н. Приводится диаграмма структурных фаз б системе углерод-водород.

Второй раздел главы посвнаем обзору известных из литературы вариантов построения плазмохимических реакторов. Рассмотрены реакторы типа плоский конденсатор^1 с третьим электродом-сеткой, кагнетронный и с применением повышенной частоты вплоть до циклотронной.' Анализируются специфика работы этих конструкций, их достоинства и недостатки.

В третьем разделе суммируются итоги литературного обзора и не этом основании формируются требования к технологическому процессу получения аморфных гидрогешшироваиных полупроводников а - :Н, а - (С):Н, а - С:Н и, соотгзтетвенно, к экспе-риментг-льнсн технологической установке.

Î). ВаянеШмма из них являются расширенный диапазон рабочих' давлений и потоков реакционных газов и обеспечение режимов-устойчивого горения ллазглы во всем диапазона давлений.'. 2) Вариация энерговклада в плазменный пропекутся в пределах *

О * 4 порядков величины. У) Изменение рабочей частоты разряда и возмсгность воэбуядегат ¡13 двух частотах в случае работы со скесями газов с рзэлич-' тага потенциалам ионизеции.

* •*

4):. Применение 'двух систем ввода реакционных газов в камеру;'■•

f

5) Обеспечение плавающего потенциала на подложке.или рзгулируе-мого внешним смешением.

В разделе.4 дается•опасение экспериментальной установки, а также списание кетодак .диагностики плазмы и растозого процесса.

Установка сконструирована в соответствии с. тз1йюсфор8^лйрозан-ннми требования?!!!. -Для обеспечения, стабильности разряда при ' малых давлениях пракеиено хзпппное поле., 'Для'позихотош иониза-цясгаюЯ способности разряда применен з отдельных случаях кетод резонансного возбуждения. плазш, при,зтом•впераие предложен и разработан метсд -"мягкого"' циклотронного рез.снпнса,' которая позволяет снизить энергетик попгсго потока на подложку.' npr-ïtîopiio нл порядок, что и обеспечивает сниг-.енио Д0ентсобрааоэ'атл..а пленка. В качестве резонансной частоты сыбрзна частота 2С0 },Гц, В роптало нереоонансного возбуждения гнбрзна чзстсгц IS, 65 ' !Тц. и 75 !Тц.

•Для обеспечения возможности работы, сйстеиа под шгавзвсиа потенциалом прдлояяодеркотоля или под внеанян ;регудируе?.ям своис-пию» разработана оригинальная скстеыз исдачи.-ВЧ мощности э кзгта-ру> при которой поджжкодеряатеяь сяагызоется'олекграческа ряявп-зоияич от любого из элементов ЗЧ-ввода. Сем егоз приставляет

- //-

ссЗой укороченный индуктивности вибратор. Для работы ла двух частотах таких вибраторов предусмотрено два.

•:. Длд. контроля плазменного разряда разработан электростатический трехэлектродный анализатор потока ионов на подложку. С помощью такого анализатора выполнены измерения функции распределения ионов.по энергии в широком диапазоне рабочих давлений в камере, На основе этих измерений и сделан первичный выбор режимов ' розта, который был в дальнейшем оптимизирован по результатам измерений свойств получаемых пленок. Для контроля ростового процесса^ применен лазерный интерферометр, работающий на гелий-неоновом лазере. Эта методика оказалась исключительно полезной, т.к. позволяла следить за скоростью роста пленки и оценивать толщину . пленки В случае роста многослойных структур эти

денные могли быть получены для каждого последующего слоя независимо.

Глава 3 посвяшена описанию технологических режимов получения пленок a a - (Si - С):Н, а - С:Н и .результатам по исследованию оптических, фотоэлектрических и фотолюминесцентных свойств пленок.

Глава делится на три подраздела, посвященные, соответственно, а -£н:Н, а - (¿1- С):Н и а - С:Н. Каждый из'объектов исследования требует индивидуальной Отработки технологических режимов. Опыт показал, что различие режимов весьма существенно. Для роста а - Si:H требуется режим с минимальным энерговкладом в плазму. Реактор работает в окрестности минимальной точки.кривой Пашена. Для получения сплавов a -Slj_xCx:H, обогащенных'углеродом уже необходимо применять двухчастотное возбуждение. При этом, как это следует из специальных измерений, растет электронная температура в плазме и как результат происходит исинтенсивная

. 'Л-

. .социацая молекул той компонента реакционной снеси, которая обладает .большим порогом диссоциации. В рассматриваемом случае ото метан'. В результате удается получить примерное соответствие составов пленки и газовой смеси, что представляется одним из вакнейшх результатов работы. В случае роста пленок а - С':Н ситуация меняется еще более радикально. Опит показывает, что баз принятия особшс мер скорость роста пленок из разряда в метане катастрофически падает. Для компенсации потерь в скорости роста приходится идти на дальнейшее повышение энерговклада в плазму, снижение температура подложки и примешше катализатора, а в случае роста микрокристаллических пленок приходится вводить компонент в дополнение к углероду и водороду., а ишко кислород.

Описанию свойств полученных пленок предшествует описание методов характеризации и экспериментальных установок, разработанных для измерений электропроводности, фотопроводимости и спектральной зависимости поглощения методом постоянного фототока. • , Из оптических свойств измерялись фундаментальное оптическое поглощение при значениях коэффициента .поглощения Ю4 * 10^ см-*,

о 4 4

урбаховский, хвост в пределах Ю +10' см и слабое, поглощение на дефектах или глубоких центрах, роль которых в случае гморфных полупроводников играют оборванныз связи. Вся совокупность измерений свидетельствует, что получаемые пленки

а - 31 :Н соответствуют принятым стандартам. Этот результат дал' уверенность для продолжения работ но более слокным объектам -

сплавам а - ( С ) : Н и а - С:Н.

Измерение оптических свойств сплавов а - в функ-

ции состава, т.е. параметры X показали, что ширина зоны, определенна по значению Ю4 см-*, монотонно растет но мере-увеличения содерзшния углерода в сплаве, тогда как , вычисленная

■■ -а-

с помощью экстрополяции Тоуца VcCf'i = В( - Ej ) показывает нзсшгение при X > 0.8. Это свидетельствует о том, что закон Тауца не применим для составов высокообогзшешых углеродом. 1!з измерений поглощения в хвосте Урбаха,поглощения, обусловленного оборванными связями и из.измерений фотопроводимости следует, что по мере нарастания кощентрации углерода растет плотность локализованных состояний в зазоре, что и обулавлипает рззкое падение фактора j<Z , Эти данные полностью соответствуют полученным из измерений фотовсльтаических характеристик р -L- а структур. . . ' .

Измерения фотолюминесценции показывают, что сплавы системы а,- âljj_xCx:H обладают интенсивной фотоли!.мнесцекцией, характе-риэуюшейся значительным- .стоксоеским сдвигом. ' Положение пика фотолюминесценции является функцией состава. Область смещения пика фотолюминесценции с составом перекрывает, весь видимы!! диапазон. Этот результат явился, весьма воязшм ряя, дальнейшего развития работ электролиминесценции.S.. р -t-.it. структурах с целью создания ияаеадиогашх. сзомдаедоа для .гидаыой области спектра. Другим интересным результате?* измерений фотолюминесценции является наблюдение факта рззгораш!я фотолюминесценции при .кемна'тной температуре по кере повышения содержания углерода t сплаве (i)l-C):U. ;

В заключительном разделе Гл. 3 приводятся технологические параметру получения о - С:Н с рззличши модификациях и результаты измерений оптичсс:;о,5 сопрсзишсй акт. Показано, что в зависимости от рз&има получения стирана зоны мояет меняться от 3.1 до ■ З.б зВ к "для Микрокристаллических пленок достигать о -В.

Глава поеькг.тна соэдюиы и 1$седедовшш скгсаиых vsytjv.-rjit i:a сыорфшх аал/проеодшгкзх систеш (51- G):¡1. Известии ;гм варианта "подходе к создании также структур. Первый прэдуекзтрл-сает организаций встроенного потенциала за счет формирования поверхностного барьера на контакте металл - полупроводник. Второй - с помощь» легирования соотпетстьукшк областей объёма материала б р - и it - тип проводимости. Оба пут;: били изучены в приложении к аморфным сплавам о - (Si - C):Ii эксперикен-тельно. Для а - С:Н и высокообогааснных углеродом сплавов а - (áí. - С):11 эффект легирования но установлен и организация контактного барьера для этих материалов представляется первоочередным решением задачи. 3 результате подбора различных ¡¡ар металлов в качестве .форшрувеих блокирующий (барьернкЯ) и инвектирув-иий (омический) контакты било установлено, что в качестве блокирующего контакта к а - С:Н и к а - ¿Lj СХ:Н X—I, может быть выбрана Pt , тогда как для создания омического контакта необходимо принанять легированный фосфором сплал а -й1ое>(1ол :Н.

В результате бнли получены ВЛХ инхекционного типа с коэффициент«^!

о . р

выпрямления порядка 10° при токе. 10""** 1/см\

Для сплавов a -álj Су:Н с 0 < X-ь 0.4, как показало экспериментальное исследование, создание р -l-д. структур является болов предпочтительным. Для получения легированных слоев р - и а - типа применялись примеси бора и фосфора, вводимые из газовой фазы. Исследования проводимости легированных слоев показало, что наибольшей кратности н уменьшении удельного сопротивления по отношению к собственному слою удается достичь для пленок с микрокристаллической структурой и составом '^I-jA^'i где Xé 0.3. При большем значении X ~ 0,6 кратность в изменении сопротивления уменьшается до одного порядка и получить juí - слои не удается. Исследования ло легированию

- ¿ó~- •

открыли путь к получению р - С - структур на широкозонных составах системы а - ^Х-х^х^» гДе X 0.3.

1!змерения темновых ВАХ показали, что инжектирующие р/1 и I /п- переходов зависят от состава сплава, т.е. от параметра X. Если аппроксимировать ВАХ классической для р/п. переходов экспоненциальной зависимостью -* , ьЧ ч

то для X = 0, т.е. а -51:Н (г.— 1.5 * 1.7, т.е. укладывается в пределы I + 2, допускаемые теорией термодиффузионного переноса в р -.1-м переходе. Для X = 0.3 фактор качества „п." достигает значений 4 + 5 и для X = 0.6 п.» 15 * 20. Более того, с рострм X аппроксимация экспериментальной ВДХ экслонентой становится всё более приближенной. Столь, большие значения п. и отклонение от экспоненциальной зависимости могут быть объяснены сменой механизма итаекции в р/Ь и гь/1 ■ ' переходах с термодиффузионного на термотуннельшй, что и не должно вызывать боль-, пасс сомнений, т.к..".во-первых, по мере увеличения ширины зоны Е^, '. I - слоя на р/Ч и I /п. интерфейсах формируются барьеры, . поскольку для ' р, п. областей выбран состав с X я 0.3, т.е. с фиксированной и.относительно меньшей Е^ .во-вторых с'ростом X, т.е. с увеличением . Е^ , растет плотность локализованных состояний, что^попьиает,туннельную прозрачность возникавшего барьера. В случае инжекции путем термотуннелирования Я ехр [ .

где при ^> Ю19 См-3, и учете )/ногоступенчатого харак-

тера туннелировашш мсжетдостигать нескольких кТ. Таким образом, ВЛХ для составов с относительно малым X получают естественное объяснешю. Для составов с X0.5 "туннельная компонента ; тока через контакт становится-егаё белее чётко выраженной. Анализ экспериментальных данных показывает,'что тенденции,-которые имээт

место а отклонении от экспоненциальной зависимости, могут бить вполне удовлетворительно описаны в координатах Фаулера-Нордгеймь 3 ~ V2 ехр (- ¿oit'T ). Действительно, в ходе работы при попытке реализовать оплачу повышения электронной температуры инкектк-руемих ь С- слой нс-с-саовных носителей в р - I - и. структуры били введены тунне.'п :ío тонкие диэлектрические прослойки в интерфейсах р/l и i/n. . Эти искусственно введенные барьеры привели к Í3AX достаточно '¡"очно следующим выше приведенному соотношению, и, таким образом, предложенный механизм токопереноса в р - L-tv на сплавах я - (&L- С):Н, базирующийся на учёте туннельных токов, получает дальнейшее подтверждение.

В следующем разделе главн излагаются .результаты по электролюминесценции из р -L-n. структур. .Как из р -í-n- структур, так и структур pJütn-, р JD п., где £> - туннельный диэлектрик с L- слоем на основе состава Cq^Sí-q^iH, была обнаружена электролюминесценция с пиком излучения 620 им, достаточно хорошо видимая невооруженным глазом как бело-аелтое свечение. Как показали измерения спектра излучения, белый цвет свечения обусловлен большой шириной епектра излуч.'лид { ~ 0.6 эВ на полувысотв) и наличие!« протяженных хвостов. Пороговая плотность

тока, соответствующая видимому захнганию светодиода составляла р р

400 mVcm для р - 1 - а структуры и 100 мА/см для структуры рÍJi&tb. Эти значения примерно на 3 порядка величины ниже, чем для светодиодов на кристаллическом карбиде кремния, однако, следует отметить, что и абсолютная светимость, отнесенная к единице площади, излучаюшей поверхности также ниже и примерно, на эту же величину. В заключении раздела обсуждаются возможные механизмы возбуждения излучательных переходов: межзонная ударная ионизация, приводящая к генерации экситоноподобных центров, и туннельная

-zv-

излучательная рекомбинация свободных: электронов и дырок, инжектируемых в L - елей п/1 , p/i переходами.

Последний раздел Гл.4 поевшей изучению фотовольтаических свойств в системе а - (61- С):Н. Выполнены измерения нагрузочных (световых) ВАХ ра p-t-n структурах с I-слоем а - 5tj_xGx:H, где X варьировалось от 0 до 0.6. Эти измерения показали, что фоговольтаический эффект падает с ростом X и осо- ■ бенно круто при X > 0.3, однако, остается ещё достаточно существенным для применения t- слоев с составом а - Cq^îSl¡54:H в качестве фотоприемников, рзботаюиих в фотовольтаическом режиме. -Этот результат представляется важным, для практического создания не требующих питания фотоприемников видимого диапазона с плавно изменяемым по энергии окном фоточувствительности и пределах 1.7 - 2.7 эВ. Составы с малым значением X до 0.3 могут быть использованы г фотоэлектрических преобразователях, при этом на основе составов с Х = 0 и X st 0,2 4- 0.3 могло формировать каскадные фотолреобрэзователи с расширенной областью спектральной чувствительности. В работе приводятся характеристики каскадной структуры на основе монотипных ячеек на Сазе а - ¿i'.H. КЩ такой структур! составляет Для сравнения, максимальный, достигнутой в настоящей работе моноячейки на а - ¿Ш1 составляет 7.5% при освешенНости АМ-2 и площади 5»5 иЯ Этот результат свидетельствует о том, что.технология каскадных структур ешё Требует дальнейшего развития. :

Анализ механизма собирания фотогенерпроваияых носителей б р -1 - п. ' структурах на о - выполнен на основе дрей-

фовой модели, согласно которой длина области собирания определяется суммой дрейфовых длин электронов и дырок. : Моделирование нагрузочных ВАХ в рамках такой модели показало, что удельный сдвиг- неоснозных носителей - фактор jiiï , где ju - дрейфовая-

¡одвижность и С- время жизни, падает с ростом содержания углерода в I- слое, от значения см^ для Xю 0.3,

до 10""** см2 для X = 0.6. Этот результат полностью соответствует ранее сделанным выводам из измерений фотопроводимости й известным из литературы прямым измерениям плотности оборванных связей в сплавах а - ¿1 выполнении!« методом электронного

парамагнитного резонанса, которые показывают рост плотности оборванных связей с X на 3 + 4 порядка величины. Именно эти глубокие дефекты и контролируют время жизни в аморфных полупроводниках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. "

Диссертационная работа посвяшена разработке получения широкозонных сплавов системы а - (¡э1- С)':Н, исследованию их оптических и фотоэлектрических свойств, созданию активных приборных структур на основе этих сплавов и анализу физических процессов, определяющих работу этих приборов. Детальные выводы по диссертационной работе даны по главам и в настоящем заключении даются лишь самые общие результаты.

1. Предложена и выполнена оригинальная технологическая установка для разложения йилана, метана и силан-метановых смесей в плаэке тлеюпего высокочастотного разряда, стабилизированного магнитным полем.

2. Разработана и эффективно использована методика диагностики ионных потоков на подложку, что позволило объективно выбрать оптимальные режимы ростозого процесса, Сам ростовой процесс контролировался лазерным интерферометром;": ;

3. Получены.аморфный кремний и аморфные сплавы в системе

1_ХСХ:Н с изменением X от 0.1 до 0.9. При этом для

-У-0-

обогащенных углеродом составов была применена техника ультравн-сокочастотного разряда. Показано, что ширина оптической запрещенной зоны в системе ( - С) :Н монотонно растет с увеличением содержания углерода»

4. Отдельный цикл работ был посвящен получению аморфного углерода а - С:Н, эту непростую задачу удалось резшть, применив технику ультравысокочастотного разряда относительно большей, по ло сравнению с требуемой для получения а - Si :Н, и а - (Й£- С):Н мощности. В отдельных экспериментах использован метод резонансного возбуждения плазма в реаиме "мягкого" циклотронного резонанса на частоте 250 МГц, В результате получены различные модификации аморфного углерода с шириной оптического зазора от 3.1 до 3.6 э£.

5 . Исследованы оптические, фотоэлектрические ж фотшшминес-центнне свойства Ноаых.иатериалов. Установлено, что фотоэлектрические свойства ( факторjmT ) заметно снижаются с ростом X , тогда как фотолюминесценция, измеренная мри кошатной температура, разгорается.

6. Изучена способность поверхности а j^C^H с Х-»-1 на- С:Н формировать поверхностно - барьерные, стртетда с барьера образувдам металлом - барьер Шоттки и с туннельным дяэлек- • трюссялк Получена даодные характеристики дая таких структур о

• о 2 ■ —2 ■

коэффициентом выпрямления 10° при токах: 10 А/см" .

7. Создана р y l-ti отруктурн на а -SL j_xCx:H сХ до 0.6 . Для öToro была изучена способность а - 5t j^C^rK сплавов к лепфоаг.шю примесями бора- фосфора. Показано , что наиболее аффективное. легирование удается осуществлять в юперокрясталли-. ческих фазах а -Si j_xCx:H при значениях X до 0.3 .1 Изучены нюиектлрующее свойства структур и выасанйн анализ специфики

механизма токопереноса а р - I - п. структурах на основе широкозонных материалов.

8. Разработаны р - 1-п. структуры с туннельным диэлектриком типа р 2>1п. или рЯНФл. , чтобы повысить энергия инжектируемых в полупроводник носителей. Для описания иижекции в таких структурах предложен механизм полевого туннелирования по Фаулеру-Нордгейму.

9. Обнаружена электролюминесценция из р -1-й. и р £459а при пороговых токах 400 - 100 мА/см*". Пик люминесценции расположен в видимом диапазоне Д » 620 нм.

10. Изучено изменение фотовольтаических свойств в системе а - при значениях Х.до 0.6. Кек-и из измерения фотопроводимости следует, что удельный сдвиг - фактор ,

I

определенный из фотовольтаических параметров, падает с ростом X, однако, работа фотоэлементов состава в Ф°товольтаи-

ческом режиме остается ешё возможной. На фотоэлементах на

а -51:11 достигнут КЩ фотоэлектрического преобразования 7

«

Основные результаты, изложенные в''*диссертации, опублнко-

• л

ваны в следующих работах:

1 Ечияние технологических условий получения а - СС 1_>ДХ:Н на оптические и фоточюминэсцентше, свойства. / Л.А.Андреев,

П.А.Андреев, М.Х.Ганиев* В.М.Таиров, Д.Ханов и др. П Тео.докд, Озес .семинара "Ашрфниз гвдроганиэирэванные полупроводники в ЙХ применение'1, Ленинград, 10-14 ишя 1591.- Я., 1991. - Т.117-- С.09.

2 Получение аморфных гидрированных широкозонных полупроводников а - -?'!_ХСХ:Н в реактора с вынесенной подложкой. /

-т-

/ А.А.Андреев, П.А.Амдгеев, М.Х.Ганиев, Е.М.Таиров, Д.Ханов и др. // Письма в ЖТФ. - т.18, » 16. - С.46-50.

3 Фотоэлектрические преобразователи на аморфном кремнии, подученные методом разложения силанов в резонансно-возбуждаемой плазме на частотах 75-250 МП*. / А.А.Андреев, П.А.Андреев,-Д.Хансв, А.Чарыкулиев. // Известия АН Туркменистана. 1992. № 4, С.100.

4 Пленочный светодиод на аморфном алмазоподобном гидрированном углероде. /А.Л.Андреев, П.А.Андреев, Д.Ханов, А Ларикулпев, // Известия АН Туркменистана. 1992. № 5, C.9I.

5 . Особенности получения и электрические и оптические свойства аморфных гидрогенизированних тонких пленок сплавов системы кремний-углерод. / Д.Ханов, А.А.Аедреев, П.А.Андреев, А.Чарыку-лиев. // Известия АН Туркменистана. В печати.

. В Наведанный фотсплеохроизмгетеропереходов IT0 - Л D ( o-äp, Ах) / С.Г.Конников, Д.Мелебаев, В.Ю.Рудь, М.Серги-

нов, СЛ'иловов, Д.Ханов. //Письма в Ю, IS92. т.18, шп.24. С.С2-38. "

-LI-