Исследование влияния технологических режимов на электрофизические и оптические свойства аморфного гидрогенизированного карбида кремния, получаемого методом высокочастотного ионноплазменного распыления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

2 Ц ФЕВ

,}

1997

На правах рукописи

СВИРКОВА Наталья Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ, ПОЛУЧАЕМОГО МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИОННОПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА

1997

Работа выполнена на кафедре "Физика и технология электротехнических материалов и компонентов" Московского энергетического института

Научные руководители: кандидат технических наук,

профессор ФИЛИНОВ В.А.

кандидат физико-математических наук, старший преподаватель ЛИГАЧЕВ В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук.

Профессор ВОРОНКОВ 0.11.

кандидат физико-математических наук, доцент СУРОГИНА В.А.

Ведущая организация: Московский Государственный институт стали и сплавов (технологический университет)

Защита состоится "24",ио^ь/т. г. в ауд. Г-^бд в час 00 мин на заседании Диссертационного совета Д 053.16.06 Московского энергетического института по адресу: 111250, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.17, МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан "S "уюе^СиШ /3&т.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Д 053.16.06 / s/Sl

д.т.н. , профессор u^llJ ШНИТНИКОВ A.C.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Карбид кремния - это материал, обладающий чрезвычайно широким комплексом полезных свойств: оптических, электрофизических, антикоррозийных, прочностных. Широкая запрещенная зона, возможность получения материала с электронной и дырочной проводимостью, высокая химическая стабильность определяют перспективы его применения в приборах с электронно-дырочными переходами, способных работать при повышенных температурах, с высокой стабильностью их свойств во времени. Благодаря широкой запрещенной зоне, электролюминесценция и фотолюминесценция этого материала могут быть сосредоточены в видимой области спектра.

Большой интерес к аморфному гидрогенизированному сплаву кремний-углерод (а-Б1С:Н) вызван возможностью его применения в многослойном фотоприемнике для электрофотографии, где он выполняет функции защитного слоя и слоя накопления заряда.

В настоящее время исследования а-31С:Н направлены на выявление закономерностей воздействия технологических параметров на основные свойства материала. Но поскольку в аморфном состоянии вещество может быть получено только при использовании неравновесных технологических процессов, его структура и свойства оказываются чувствительными к степени отклонения условий формирования от равновесных. Это существенно усложняет задачу получения материала с заданными свойствами. Представляется наиболее разумным решать эту проблему с создания модели взаимосвязи между электрофизическими параметрами материала и условиями его конденсации. Ставший стандартным при изучении кристаллических полупроводников подход, основанный на исследовании взаимосвязи между условиями получения, структурой и свойствами, в данном случае использовать нецелесообразно, так как термодинамика неравновесных процессов находится еще в стадии становления и количественно установить взаимосвязь между условиями получения и структурой материала на сегодняшний день не представляется возможным. Данное обстоятельство делает весьма актуальным исследование возможности применения к созданию модели взаимосвязи между электрофизическими параметрами аморфных полупроводников и условиями их конденсации альтернативного подхода, основанного на изучении взаимосвязи в ряду "условия получения - морфология - электронные спектры - свойства".

Целью работц является исследование влияния технологических режимов на электрофизические и оптические свойства аморфного гид-рогенизированного карбида кремния, получаемого методом высокочастотного (ВЧ) ионноплазменного распыления. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить характер влияния технологических режимов на спектры плотности локализованных состояний N СЕ) тонких пленок а-ЗЮ: Н, поскольку характеристики и распределение этих состояний определяют электрические и оптические свойства;

- определить характер изменения параметров морфологии тонких пленок а-БЮ:Н при варьировании параметров технологического процесса;

- установить взаимосвязь между морфологией и спектрами N(Е);

- на основе полученной информации сделать (и обосновать) выбор подхода к созданию модели, объясняющей взаимосвязь между условиями формирования материала и его оптическими и электрофизическими свойствами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан вариант метода постоянного фотоответа (МПФ), пригодный для получения спектров плотности состояний N(Е) тонких пленок исследуемого материала с низкой фотопроводимостью (или даже с полным ее отсутствием);

- разработан алгоритм решения некорректной задачи, возникающей при расчете спектров Ы(Е) по данным метода токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОГО), проявляющий высокую чувствительность к деталям спектров;

- предложена модель, объясняющая особенности кинетики формирования пленок а-31С:Н;

- установлена взаимосвязь между морфологией пленок а-Б1С:Н и отдельными параметрами их спектров плотности состояний;

- показано, что при исследовании а-Б1С:Н в качестве связующего звена между условиями получения и свойствами предпочтительнее рассматривать его морфологию.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- установлена область "критических" значений мощности ВЧ разряда V и температуры подложки Тп, при которых происходит скачкообразное изменение электрофизических свойств а-31С:Н;

- при значении мощности ВЧ разряда № = 100 Вт и рабочем дав-

лении в камере Рраб = 7-Ю"3 Topp определена величина Тп, обеспечивающая получение материала с максимальными размерами неоднород-ностей и максимальной величиной кратности фотопроводимости;

- исследованы оптические и электрические свойства тонких пленок a-SiC:H, полученных при различных значениях мощности ВЧ разряда или температуры подложки.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации усовершенствованный метод постоянного фотоответа, позволяющий исследовать материал с низкой фотопроводимостью, и программа для персонального компьютера, реализующая алгоритм решения некорректной задачи восстановления спектров плотности состояний из данных метода токов, ограниченных пространственным зарядом, используются в учебно-методической работе кафедры Физики и технологии электротехнических материалов и компонентов МЭИ для получения спектров плотности состояний в щели подвижности тонкопленочных полупроводниковых и диэлектрических слоев.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованный вариант МПФ для исследования тонких пленок материала с низкой фотопроводимостью (и даже с полным ее отсутствием);

- алгоритм решения некорректной задачи, возникающий при восстановлении спектров плотности состояний из данных метода ТОПЗ;

- вывод относительно причины резкого изменения морфологии, оптических и электрофизических свойств исследуемого материала в области "критических" значений варьируемого технологического параметра Тп;

- взаимосвязь между морфологией a-SlC:H и спектрами плотности локализованных состояний;

- вывод о целесообразности выбора морфологии a-SiC:H в качестве связующего звена при исследовании взаимосвязи между условиями формирования материала и его свойствами.

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации докладывались и обсувдались на Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики - 93" (Санкт-Петербург, 1993), 1-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-94 (Суздаль, 1994), научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1994, 1995), Меж-

дународной конференции по электротехническим материалам и компонентам МКЭМК-95 (Крым, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 209 страниц, в том числе 3 таблицы, 43 рисунка и 8 фотографий. Список литературы включает 117 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава представляет литературный обзор, проводившийся на основе фондов ГПНТБ, РГБ и НТВ МЭИ. В нем кратко рассмотрены основные методы получения аморфного гидрогенизированного сплава кремний-углерод, корреляция между условиями получения, структурой и свойствами аморфного гидрогенизированного сплава кремний-углерод переменного состава (а-31г_хСх:Н), основные спектроскопические методы исследования состояний в щели подвижности аморфных полупроводников, а также проблемы практического использования а-Б11-хСх:Н.

Как показал анализ литературных данных, исследования влияния условий формирования на свойства аморфного сплава кремний-углерод ведутся в основном в направлении изучения взаимосвязи в ряду "условия получения - структура - свойства". Установлено, что с ростом концентрации С качественно меняется структура химической связи атомов углерода с сеткой матрицы, что связано со способностью атома углерода образовывать трех- и четырехкратно координированные состояния. При большом превышении концентрации углерода над концентрацией кремния (х > 0,6) могут возникать различные структурные модификации (от графита до алмаза, включая промежуточные карбиновые модификации и полимероподобные водородосодержащие комплексы углерода), зависящие от способа введения углерода V уровня энергетического возбуждения его атомов и молекул, падающие на поверхность растущего слоя. Структурные преобразования в пленках а-Бй-хСхгИ, обусловленные вхождением углерода в матрищ

г»

- С -

аморфного кремния, приводят к изменению ширины оптической запрещенной зоны Е^-. Было установлено, что зависимость Ег(х) - это кривая с максимумом. При х > 0,6 величину Ее ограничивает появление ¿люрфной графитовой компоненты а-С, обусловленное изменением соотношения между связями четверной (эр3) и тройной графитовой (;-;р2) координации атома углерода. Рост концентрации углерода приводит не только к изменению ширины оптической запрещенной зоны а~1Л1-хСх:Н, но и к росту количества оборванных связей, уширению хвостов состояний у края зон, увеличению разупорядочения сеток и введению новых состояний для глубокой термализации фотовозбужденных носителей заряда. При определенных условиях осаждения в пленках а-311-хСх:Н формируется такая же связь, как в графите, и именно появлением графитовой компоненты объясняется ухудшение

свойств материала. /

Большая часть информации о свойствах аморфных полупроводников может быть получена из распределения состояний N(Е) в щели подвижности. При изучении спектров плотности локализованных состояний в неупорядоченных полупроводниках наиболее широко используются следующие спектроскопические методы:

- оптическое поглощение;

- метод постоянного фотоответа;

- метод токов, ограниченных пространственным зарядом. Спектр коэффициента оптического поглощения аСЬш) является сверткой плотности исходных и конечных электронных состояний. При использовании оптического метода а непосредственно определяется из пропускания Т и отражения К. Однако при ас! < 1 (где с1 - толщина образца) погрешность таких измерений становится недопустимо высокой. Чтобы исследовать область очень слабого поглощения (а < <• Ю2 см-1), которая особенно интересна в аморфных полупроводниках, целесообразно использовать метод постоянного фотоответа, а для получения информации об объемной плотности состояний в окрестности уровня Ферми удобно применять метод токов, ограниченных пространственным зарядом.

Наиболее серьезной проблемой при исследовании и практическом применении а-5н-хСх:Н является сильная зависимость структуры и свойств этого материала от технологических режимов его приготовления. Оптимизация свойств слоев а-511-хСх:Н перебором определенных сочетаний параметров технологического процесса изготовления --

- 3 -

довольно трудоемкий и малоэффективный способ решения задачи получения материала с заданными свойствами, а чувствительность свойств пленок к особенностям технологического оборудования ставит под сомнение целесообразность "копирования" технологических режимов, используемых другими исследователями. Эта проблема приводит к необходимости создания модели взаимосвязи между электрофизическими параметрами a-Sii-xCx:H и условиями конденсации.

Применяемый большинством исследователей подход к изучению влияния условий формирования на свойства аморфного сплава кремний-углерод, основанный на исследовании взаимосвязи в ряду "условия получения - структура - свойства", имеет ряд существенных недостатков. В качестве альтернативного подхода предлагается рассматривать исследования взаимосвязи в ряду "условия получения -морфология - электронные спектры - свойства". Применение такого подхода к исследованию полученных ВЧ ионноплазменным распылением пленок a-Si:H дало обнадеживающие результаты, но поскольку указанный подход нельзя считать общепризнанным, представляется важным проверить его справедливость применительно к другим неупорядоченным полупроводникам, в частности, к аморфному гидрогенизиро-ванному карбиду кремния (a-SiC:H). Изучение корреляции между условиями получения, морфологией и электронными спектрами пленок a-SiC:H позволит объективно оценить возможность применения рассматриваемого подхода к созданию модели взаимосвязи между электрофизическими параметрами аморфных полупроводников и условиями их конденсации.

Во второй главе описаны методики получения аморфного гидро-генизированного сплава кремний-углерод, исследования спектров плотности локализованных состояний тонких пленок a-SiC:H, получения спектров пропускания в ИК диапазоне и исследования морфологии.

Для получения a-SiC:H был выбран метод ВЧ ионноплазменного распыления поликристаллической мишени SIC в аргоноводородной смеси. Образцы напылялись с помощью серийной установки УМР 3.279.014, снабженной генератором ВЧД-2.5/13-СД-Л01 с рабочей частотой 13,56 МГц. Были получены две серии образцов a-SiC:H. Серия "а" напылялась при различных значениях мощности ВЧ разряда W, а при получении серии "б" варьируемым технологическим параметром была выбрана температура подложки. Другие параметры технологичес-

кого процесса получения а-ЗЮ: Н, такие как рабочее давление в камере, температура подложки для образцов серии "а" и мощность БЧ разряда для образцов серии "б", время напыления, продолжительность отжига, поддерживались неизменными в процессе получения всех образцов сёрии.

Для определения оптических параметров а-51С:Н использовались пленки, напыленные на стеклянные подложки. Спектры отражения Кизм(Ьш) и пропускания ТизмСЬ") системы пленка а-31С:Н - стеклянная подложка для всех исследуемых образцов были получены на спектрофотометре "Спекорд - М400" в диапазоне длин волн 185-900 нм. Оптические свойства материала определяются спектральной зависимостью его комплексного показателя преломления п = п - 1к, где п - показатель преломления и к - коэффициент экстинкции, связанный с коэффициентом поглощения соотношением <х = 4пк/\ (здесь X -длина световой волны в веществе). Расчет п и к из измеренных величин Р?изм и ТИзм осуществлялся численной минимизацией градиентным методом целевой функции

Рц = (К - Кизм) 2 + (Т - ТИЗм) 2 (1)

Толщины пленок с1 рассчитывались для каждого образца по амплитуде и положению экстремумов спектра пропускания системы пленка - подложка в длинноволновой области.

Существенно расширить энергетический диапазон исследования спектров сцЬо) позволяет метод постоянного фотоответа. Существенным недостатком МПФ является невозможность его использования для исследования полупроводниковых пленок с низкой фотопроводимостью. Для решения этой проблемы разработан вариант МПФ, пригодный для исследования пленок с низкой фотопроводимостью (или даже с полным ее отсутствием). Суть предлагаемого усовершенствования состоит в том, что постоянная величина фотоответа поддерживается не в пленке исследуемого материала, а в специально создаваемой гетеростру-ктуре, формируемой путем нанесения исследуемой пленки на материал с высокой фоточувствительностью и высоким коэффициентом поглощения в заданном спектральном диапазоне. Причем во всем исследуемом диапазоне энергий фотонов коэффициент поглощения материала подложки должен существенно превышать коэффициент поглощения материала пленки. Расчетное соотношение предлагаемой методики можно

выразить формулой

a(fi4>) = const-AF(V). (2)

Для получения спектральных зависимостей a(hw) в области слабого поглощения тонких пленок a-SiC:H с помощью усовершенствованного варианта МПФ использовались гетероструктуры a-SlC:H / c-Sl. Измерения проводились на установке, состоящей из монохроматора, источника света и измерительных приборов. Поскольку задача восстановления спектров плотности состояний N(E) из спектров a(tiw), полученных с помощью МПФ, является некорректной по Адамару, расчет спектров N(Е) производился с помощью специально разработанного на кафедре алгоритма, основанного на методе регуляризации Тихонова и устойчивого к погрешностям исходных данных.

Информация о спектральном распределении плотности состояний в окрестности уровня Ферми исследованных образцов a-SiC:H была получена с помощью метода токов, ограниченных пространственным зарядом. Для получения экспериментальных вольт-амперных (ВАХ) использовались пленки a-SIC:Н, осажденные на поликоровые подложки с двумя молибденовыми планарными электродами длиной 10 мм и расстоянием между ними 1 мм. Следует отметить, что в измерении ТОПЗ большинство исследователей используют сэндвич-структуры, что, однако, вызывает ряд серьезных проблем, поэтому в данной работе для измерений ВАХ использовались структуры с лланарным расположением электродов. ВАХ указанных структур снимались в диапазоне напряжений 10 + 650 В. Исходное положение уровня Ферми по отношению к дну зоны проводимости определялось по величине энергии активации температурных зависимостей темновой проводимости в омической области. Измерения проводились при постоянном значении напряжения на образцах 100 В в диапазоне температур 20 + 200 °С. Расчет спектров N(Е) осуществлялся с помощью "пошагового" метода ден Во-ера и метода, разработанного Вейсфилдом.

Задача определения спектра N(Ef) по данным метода ТОГО является некорректной по Адамару, поскольку сводится к решению линейного интегрального уравнения Фредгольма первого рода, правая часть которого определяется экспериментально с конечной погрешностью. Такова основная проблема, возникающая при обработке экспериментальных темновых ВАХ по методике ден Боера. Данную проблему удалось решить с помощью аналитического метода Вейсфилда. Для

восстановления спектров плотности состояний из экспериментальных ВАХ по методике Вейсфилда необходимо найти производные до 3-его порядка функции ln V(ln Я. заданной таблицей, причем со случайными погрешностями в узловых точках. Чтобы получить приближенное решение, устойчивое к малым изменениям исходных данных, был разработан алгоритм расчета N(Ef) (и реализующая его программа "WE-ISF1ELD"), основанный на сглаживании сплайнами. Поскольку развитая в общей форме теория сглаживания полностью эквивалентна некоторому методу регуляризации некорректно поставленных задач, использование сглаживания позволяет решить проблему некорректности задачи восстановления спектров плотности состояний из экспериментальных темновых ВАХ. Кроме того, разработанный алгоритм проявляет высокую чувствительность к деталям спектров, поскольку включает в себя расчет производных от ln V по ln 3' вплоть до третьего порядка.

Для идентификации структурных комплексов, формирующих пленку, использовались спектры пропускания в ИК диапазоне. Спектры были получены в диапазоне значений волновых чисел 200 * 4000 см-1 на спектрофотометре "Specord - М 800", в измерительный канал которого помещалась исследуемая пленка, напыленная на полированную пластину монокристаллического кремния КДБ-10, в то время как канал сравнения был свободным.

Исследования морфологии полученных образцов a-SiC:H выполнены с использованием просвечивающего электронного микроскопа УЭМВ-100 К при ускоряющем напряжении 75 кВ. При этом использовались пленки a-SiC:H, осажденные на кристалл NaCl, которые отделялись от подложки при ее растворении в дистиллированной воде.

Третья глава посвящена анализу результатов исследований спектров плотности состояний в щели подвижности a-SiC:H, проведенному с целью выявления характера воздействия условий получении на свойства данного материала.

Наиболее широкий энергетический диапазон плотности электронных состояний в пленках a-SiC:H (1,8 * 3,5 эВ) был экспериментально исследопан с помощью оптических измерений параметров пленок в области края оптического поглощения. Для всех исследуемых образцов значения ширины оптической щели рассчитывались из спектров коэффициента оптического поглощения в координатах Тауца. Кроме того, определялись значения параметра В, характеризующего

.1 г, - 1<С

наклон линейных участков зависимостей Тауца. Для количественной оценки параметров спектров плотности состояний использовались значения энергии Урбаха Еи, определяемые на линейных участках зависимостей аСЬш) от с помощью метода наименьших квадратов (МНК). Анализ результатов оптических измерений позволил сделать вывод, что оптические параметры в области края поглощения (а, значит, и параметры спектров плотности состояний) всех исследуемых пленок а-Б1С:Н меняются незначительно с изменением условий осаждения. Например, относительные изменения Е^ не превышают 10 %. Кроме того, результаты оптических измерений использованы в главе 4 для изучения взаимосвязи условий формирования пленок с их оптическими и электрофизическими свойствами.

Существенно расширить диапазон экспериментальных исследований спектров а(Ьш) и Ы(Е) в глубину щели подвижности оказалось возможным благодаря использованию метода постоянного фотоответа (МПФ). С помощью усовершенствованного варианта МПФ спектры аСЬы) и N(Е) образцов а-5Ю:Н были исследованы в диапазоне энергий 1,0+ * 2,7 эВ. Форма кривых N СЕ) соответствует современным представлениям о спектрах плотности электронных состояний, локализованных в щели подвижности неупорядоченных полупроводниковых материалов на основе элементов IV группы, следуя которым, в спектрах можно выделить участки экспоненциальной зависимости и отдельные пики N СЕ). Участки зависимости, близкой к экспоненциальной, полученные спектры N СЕ) имеют в диапазоне энергий 2,0 < Ес - Е < 2,4 эВ. Для образцов, полученных при различных значениях мощности ВЧ разряда, характеристики экспоненциального участка спектра практически не зависят от V/, в то же время уменьшение плотности состояний при движении от потолка валентной зоны в глубь щели подвижности в образцах, полученных при небольших значениях V (150 - 250 Вт), происходит в целом значительно медленнее, чем в остальных образцах. Положения пиков на шкале энергий несколько изменяются от образца к образцу, тем не менее можно выделить три неперекрывающихся диапазона энергий (Ее - Е » 1,36 + 1,42 эВ, Ес - Е = 1,56 ♦ 1,78 эВ, Ес - Е = 1,80 + 2,12 эВ), соответствующих пикам, проявляющимся на всех полученных спектрах ЩЕ). Отметим, что энергетическое положение дефектов, обуславливающих появление пиков И(Е), не зависит ни от величины, ни от выбора варьируемого технологического параметра.

Как и результаты оптических измерений, результаты исследования спектров плотности состояний в щели подвижности пленок з-SiC:Н с помощью МПФ использовались в главе 4 для изучения взаимосвязи условий формирования пленок с параметрами спектров N(£) и, как следствие, их оптическими и электрофизическими свойствами. Там же представлены и выводы относительно природы выявленных пиков плотности состояний, сделанные на основе электронно-микроскопического исследования морфологии пленок.

В окрестности уровня Ферми (0,3 * 0,6 эВ) исследования спектров плотности состояний были выполнены методом токов, ограниченных пространственным зарядом. Восстановление зависимостей N(Ef) из экспериментальных темновых ВАХ осуществлялось с помощью двух методик: "пошаговой" методики ден Боера и методики, разработанной Вейсфилдом.

Анализ полученных спектров N(Ef) позволяет сделать вывод о существенном влиянии условий приготовления пленок a-SiC-.Н на параметры спектра плотности состояний и положение уровня Ферми. Монотонное увеличение мощности ВЧ разряда или температуры подложки может приводить к сдвигу уровня Ферми как к дну зоны проводимости, так и в противоположном направлении. Еще одной особенностью полученных спектров N(£f) является присутствие на некоторых из них узких (шириной около 1 мэВ) пиков плотности состояний. Но поскольку при использовании метода ТОГО погрешность в определении N(Ef) весьма существенна, возникает необходимость независимого подтверждения присутствия данных пиков на спектрах исследуемых образцов. Такое подтверждение было получено из анализа температурных зависимостей темновой проводимости исследуемых образцов бт(Т). Зависимости бт(Т) отклоняются от линейного закона в координатах Аррениуса (за исключением высокотемпературных участков, которые с достаточной точностью можно аппроксимировать отрезком прямой), а для пленки, полученной при Тп = 150 °С, данная зависимость имеет немонотонный характер (проводимость при нагреве может как возрастать, так и падать). Причиной такого поведения, возможно, является статистический сдвиг уровня Ферми. Тогда увеличение и последующий спад темновой проводимости при нагреве образца можно объяснить прохождением уровня Ферми через максимум плотности состояний (ПС). Обычно уровень Ферми сдвигается в сторону уменьшающейся ПС, но если предположить, что данный максимум имеет ши-

рину порядка кТ и находится на расстоянии в несколько кТ от другого максимума, по ширине и амплитуде в несколько раз превосходящего первый, то прохождение Ег через более узкий пик ПС оказывается энергетически оправданным. Как независимое подтверждение присутствия пиков плотности состояний на спектрах исследуемых образцов также можно рассматривать достаточно хорошее совпадение результатов, подученных для образцов серии "б" с использованием двух различных методов восстановления спектров плотности состояний из экспериментальных ВАХ. Что касается природы пиков, возможно, они обусловлены эффектами на поверхности раздела "пленка подложка", поскольку первые несколько сотен ангстрем напыленной пленки содержат дефекты или примеси. Это предположение на первый взгляд противоречит результатам многочисленных исследований, показывающим, что метод ТОГО не чувствителен к состояниям на границе раздела. Однако в данном случае речь идет об измерениях не на сэндвич-структурах, как это принято в "классическом" варианте методики, а на образцах с пленарным расположением электродов, где ток течет параллельно поверхности раздела, и поэтому нельзя исключить, что полученные результаты отражают свойства не только объема, но и поверхности исследуемых пленок.

Использование основанного на сглаживании сплайнами алгоритма расчета спектров ЬЦЕг) по данным метода ТОПЗ с помощью методики, предложенной Вейсфилдом, дало возможность решить проблему некорректности данной задачи, что, в свою очередь, позволяет корректно определять энергетическое положение ключевых элементов спектров относительно исходного положения уровня Ферми. Однако выводы из анализа результатов имеет смысл делать лишь на качественном уровне, поскольку, во-первых, форма получаемых спектров зависит от степени сглаживания (хотя амплитуда и энергетическое положение особенностей на зависимостях М(Е^) не меняются при варьировании параметра сглаживания в довольно широких пределах), во-вторых, исходные ВАХ измерялись в режиме, близком к омическому, для которого метод ТОПЗ следует применять с осторожностью, и, в-третьих, существует проблема корректного определения самого положения уровня Ферми.

В четвертой главе исследуется взаимосвязь между условиями получения, морфологией, электронными спектрами и свойствами тонких пленок а-БЮ.-Н. Поскольку объем данных по морфологии, полу-

ченных для образцов серии "а", недостаточен для решения поставленной задачи на количественном уровне, объектом исследования служили только образцы а-51С:Н серии "б", то есть образцы, напыленные при различных значениях температуры подложки Тп. На данном этапе работы проведен анализ зависимостей концентрации комплексов, формирующих пленку, усредненной поверхностной концентрации неоднородностей, темновой проводимости бт и кратности фотопроводимости бф / бт, характеристической энергии края поглощения Урба-ха, Еи и хвоста валентной зоны Еехр. а также оптической ширины запрещенной зоны Ее от обратной величины температуры подложки. Все зависимости имеют особенности в области 250 °С < Тп < 300 °С (область "критических" режимов осаждения пленок). Для объяснения согласованного поведения различных зависимостей в области "критических" значений температуры подложки сначала была рассмотрена кинетика формирования пленок а-Б1С:Н. Показано, что причиной резкого изменения в области "критических" значений Тп компонентного состава и параметров морфологии пленок ("критические" режимы осаждения обеспечивают получение материала с максимальным значением усредненного поперечного размера неоднородностей) является переход от режима полной к режиму неполной конденсации формирую щих пленку комплексов.

В образцах, сформированных при "критических" режимах осаждения, наблюдаются относительно высокие значения кратности фотопроводимости. Рост отношения б® / бт происходит за счет уменьшения темновой проводимости, причем, как показал анализ результатов определения положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости, характер зависимости бх(Т) определяется изменением энергии активации Ес - Ег.

Численные значения характеристической энергии края поглощения Урбаха Еи и характеристической энергии Евхр, отождествляемой с характеристической энергией хвоста валентной зоны материала, определялись из спектров а(Ы) и ИСЕ), полученных с помощью МПФ. Оба параметра возрастают с ростом Тп, а их разность достигает минимума в области "критических" значений температуры подложки 250 °С £ Тп < 300 °С. Разность значений параметров Еи и Е0Хр можно интерпретировать как характеристическую энергию Е* наклона экспоненциального участка хвоста плотности незаполненных электронных состояний, примыкающего к зоне проводимости. Таким обра-

зон, при "критических" режимах осаждения a-SiC:H примыкающий к зоне проводимости хвост плотности локализованных электронных состояний существенно меньше простирается в глубь щели подвижности, чем при всех других режимах осаждения.

Что касается оптической ширины запрещенной зоны, ее значения зависят от условий осаждения, хотя относительные изменения Ее и невелики (не превышают 10 %).

Электронно-микроскопические исследования морфологии пленок a-SiC:H позволили установить, что неоднородности в пленках имеют форму "столбов", вытянутых перпендикулярно подложке. Пространство между столбами заполнено "соединительной тканью", атомная плотность которой существенно ниже, чем плотность материала "столбов". Боковые поверхности "столбов" являются, таким образом, пространственными границами материала с относительно высокой атомной плотностью, следовательно на этих поверхностях следует ожидать появления значительного количества дефектов атомной структуры типа "оборванная связь", поскольку сравнительно невысокая атомная плотность "соединительной ткани" не позволяет сформировать на границе топологически совершенную (неразрывную) структуру химических связей с более плотным материалом "столбов". Для подтверждения правомерности изложенных выше соображений построены графики зависимостей логарифма амплитуд пиков плотности состояний в каждом из трех диапазонов энергии, в которых наблюдаются пики, от логарифма произведения L-d, где L - средняя длина периметра "столбов", находящихся на единичной (1 см2) площади поверхности исследуемой пленки, a d - ее толщина. Было установлено, что амплитуды пиков с максимумом при Ес- Е = 1.36 + 1.42 эВ и при Ес-Е = = 1.80 т 2.12 ЭВ с приемлимой для экспериментальных исследований точностью оказываются пропорциональны суммарной площади боковой поверхности "столбов", расположенных на единичной площади поверхности подложки. В то же время, амплитуда пиков плотности локализованных состояний (ПЛС) с максимумами при Ес - Е = 1.56 * 1.78 эВ не зависит от площади боковой поверхности столбов. Пик ПЛС при Ес - Е = 1.36 + 1.42 эВ можно идентифицировать как "оборванные связи" атомов кремния, поскольку в пленках a-Si:H энергетическое положение таких дефектов лежит в пределах 0.9 - 1.3 эВ. Небольшие отличия в энергетическом положении этих дефектов в a-Si:H и в a-SiC:H могут быть объяснены присутствием атомов углерода в плен-

ках а-31С:Н. Из-за большей энергии связи 31-С по сравнению с энергией связи 51-51 положение дефектов может действительно оказаться несколько смещенным к потолку валентной зоны. Относительно природы пиков с максимумом при Ес - Е - 1.80 + 2.12 эВ можно сказать, что появление этих пиков на спектрах Ы(Е) также связано с дефектами на поверхности "столбов". Нельзя исключить, что эти дефекты могут оказаться "оборванными" связями атомов углерода, однако ни подтверждающих, ни опровергающих это предположение данных других исследователей найти не удалось.

Для подтверждения справедливости применения к исследованию взаимосвязи между электрофизическими параметрами аморфных полупроводников и условиями их конденсации подхода, основанного на изучении взаимосвязи в ряду "условия получения - морфология -электронные спектры - свойства", была привлечена модель, объясняющая взаимосвязь между различными параметрами и условиями приготовления аморфных материалов, исходя из того, что спектры и оптического, и термического возбуждения носителей заряда существенно зависят от характеристик фононных полей, сосредоточенных в пределах областей пространственной когерентности фононных мод. При этом используется предположение о том, что размеры областей когерентности совпадают с размерами неоднородностей материала. При варьировании условий осаждения пленок меняются размеры неоднородностей (и размеры областей пространственной когерентности фоно-нов), что изменяет характеристики фононных полей материала, а значит, и параметры спектров оптических и термических переходов носителей заряда, определяющих в конечном итоге оптические и электрические свойства материала. С помощью данной модели удалось показать, что при исследованиях а-51С:Н в качестве связующего звена между условиями получения и свойствами этого материала предпочтительным оказывается рассматривать его морфологию. Для этого сначала были определены следующие модельные параметры: оптическая ширина щели подвижности Ее; энергия активации темновой проводимости, отождествляемая с величиной Ес - Ег, равной "расстоянию" (на шкале энергий) между уровнем Ферми Ег и дном зоны проводимости Ес; суммарная величина объемной плотности дефектов N0 в щели подвижности материала; характеристическая энергия края поглощения Урбаха Еи. При расчете модельных параметров лишь параметры морфологии определялись экспериментальным путем. Численные

значения модельных параметров затем сравнивались со значениями соответствующих экспериментальных параметров. Показано, что при 400 < (Ес- Ег) < 500 мэВ расхождение экспериментальных и расчетных данных вполне укладывается в погрешность экспериментов, однако при (Ес - Ег) ;> 500 мэВ экспериментальные и рассчетные значения N0 различаются существенно. Это можно объяснить упрощенным характером использованной модели, не учитывающей, в частности, изменение компонентного состава образцов и размытие хвоста зоны проводимости в образцах, полученных при Тп < 350 °С. Тем не менее, соответствие расчетных и экспериментально измеренных параметров следует признать удовлетворительным, что позволяет сделать вывод о решающем влиянии параметров морфологии на оптические и электрические параметры исследованных пленок а-Б1С:Н.

В заключении кратко сформулированы полученные результаты:

1. Проанализирован используемый большинством исследователей подход к изучению влияния условий формирования а-ЭЮ.-Н на его свойства, основанный на анализе взаимосвязи в ряду "условия получения - структура - свойства". Отмечены его недостатки и предложен альтернативный подход, базирующийся на исследовании взаимосвязи в ряду "условия получения - морфология - электронные спектры - свойства". Проанализированы проблемы практического применения а-51С:Н.

2. Разработан вариант МПФ, позволяющий исследовать спектры плотности состояний в щели подвижности материалов с низкой фотопроводимостью вплоть до полного ее отсутствия.

3. Проанализированы достоинства и недостатки различных вариантов расчета спектров плотности состояний по данным метода ТОПЗ. Обоснован выбор методики Вейсфилда в качестве варианта, наиболее пригодного для исследования полученных пленок а-31С:Н.

4. Разработан регуляризующий алгоритм решения некорректной задачи, возникающей при восстановлении спектров плотности состояний из данных метода ТОГО, проявляющий высокую чувствительность к деталям спектров.

5. В широком энергетическом диапазоне (0,3 - 3.5 эВ) с помощью трех различных спектроскопических методов получены спектры плотности локализованных состояний М(Е) а-БЮгН, приготовленного ВЧ ионноплазменным распылением. Выявлены параметры спектров, подверженные существенному влиянию условий осаждения материала.

ЗУ -

6. С помощью электронномикроскопических исследований поверхности пленок a-SiC:H обнаружена ярко выраженная столбчатая структура полученного материала. Предложена модель, объясняющая особенности кинетики формирования' пленок a-SlC:H.

7. Установлена область "критических" значений варьируемого технологического параметра (температуры подложки Тп), при которых происходит резкое изменение морфологии, электрофизических и оптических свойств материала. Показано, что причиной существования "критических" значений является изменение соотношения между кинетическими параметрами, определяющими характер движения формирующих пленку комплексов на поверхности пленок в процессе их роста.

8. Установлена взаимосвязь между морфологией пленок a-SiC:H, отдельными параметрами их спектров плотности состояний и электрофизическими свойствами. При значении мощности ВЧ разряда W = 100 Вт и рабочем давлении в камере Рраб = 7-Ю"3 Topp определена величина температуры подложки Тп, обеспечивающая получение пленок с максимальными размером неоднородностей и величиной кратности фотопроводимости.

9. С помощью модели, объясняющей взаимосвязь между различными параметрами и условиями приготовления аморфных материалов, исходя из особенностей фононных спектров и электрон-фононного взаимодействия в неоднородных неупорядоченных полупроводниковых материалах, показано, что при исследовании a-SiC:H в качестве связующего звена между условиями получения и свойствами этого материала предпочтительным оказывается рассматривать его морфологию.

Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1. Свиркова H.H. Исследование эффекта псевдолегирования в пленках a-SiC:H // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т. - 1993. - Вып. 667. - С. 62-68.

2. Лигачев В.А., Филиков В.А., Свиркова H.H. Частотные зависимости диэлектрической проницаемости в неоднородных пленках a-SiC:Н(0) и a-3ii-sCs:H(0) // "Диэлектрики-93": Тез. докл. Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием, 22-2А июня 1993 г. - Санкт-Петербург, 1993. - Ч. 1. - С. 104-105.

3. Циклические изменения электропроводимости пленок a-Sii-xCx:H, полученных ВЧ распылением / В.А. Филиков, H.H. Свир-

- L'O

кова, B.H. Гордеев, В.А. Лигачев // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): материалы докл. науч.-техн. семинара. - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1994. - С. 83-88.

4. Свиркова H.H., Филиков В.А., Лигачев В.А. Оптимизация оптических параметров аморфного гидрогенизированного карбида кремния для использования в электрофотографии // I Междунар. конф. по электромеханике и электротехнологии: Тез. док. - Суздаль, 1994. -Ч. 1. - С. 55.

5. Лигачев В.А., Свиркова H.H., Филиков В.А. Диэлектрические свойства пленок аморфного гидрогенизированного карбида кремния // I Междунар. конф. по электромеханике и электротехнологии: Тез. док. - Суздаль, 1994. - Ч. 1. - С. 75.

6. Филиков В.А., Свиркова H.H., Лигачев В.А. Особенности шумов в неоднородных неупорядоченных полупроводниках // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): материалы докл. науч.-техн. семинара. -М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1995. - С. 57-63.

7. Свиркова H.H., Филиков В.А., Лигачев В.А. Условия осаждения и спектр плотности состояний пленок a-Sii-xCx:H, полученных высокочастотным распылением // ФТП. - 1994. - Т. 28. - Вып. 12. -С. 2109-2119.

8. Свиркова H.H., Лигачев В.А., Филиков В.А. Исследования спектров плотности состояний и морфологии аморфного гидрогенизированного карбида кремния // Междунар. конф. по электротехническим материалам и компонентам: Тез. док. - Крым, 1995. - С. 45.

9. Морфология и спектры плотности состояний пленок a-SiC:H, полученных ВЧ распылением / В.А. Лигачев, H.H. Свиркова, В.А. Филиков, Н.Д. Васильева // ФТП. - 1996. - Т. 30. - Вып. 9. - С. 1591-1600.

Подписано к печати Л-

Печ. л. {¡ti Ь Тираж КС Заказ 6Ь

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13