Модификация структуры и свойств аморфного кремния при ионной имплантации и отжиге тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

^ £

На правах рукописи

N

ХОХЛОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

АМОРФНОГО КРЕМНИЯ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И ОТЖИГЕ

(01.04.10. - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НИЖНИЙ НОВГОРОД -1997

Работа выполнена на кафедре кристаллографии и оптоэлектроники Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Машин А.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Тетельбаум Д.И.

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Хайбуллин И.Б.

Ведущая организация: Воронежский государственный университет

Защита состоится 22 октября 1997 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.77.03 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3, НИФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского университета.

Автореферат разослан " " 1997 года. (^/¡^-^¿^

Огзывы'просим направлять по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-34, пр. Гагарина, 23, корп. 3, НИФТИ.

А

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последние годы исключительно интенсивно развивается физика некристаллических веществ, к которым относятся жидкие металлы и полупроводники, стекла, аморфные металлические сплавы и т. д.

Существование металлов, полупроводников и диэлектриков, как известно, объясняется зонной теорией твердого тела, полностью основанной на существовании дальнего порядка. Открытие того, что аморфные вещества могут обладать теми же электрическими свойствами, что и кристаллические, привело к переоценке роли периодичности. В i960 году А.Ф. Иоффе и А.Р. Регель [1] высказали предположение, что электрические свойства аморфного полупроводника определяются не дальним, а ближним порядком.

Очевидно, что широкое использование аморфных полупроводников для производства приборов невозможно без надежного метода, позволяющего изменять их свойства. Основная трудность заключается в том, что аморфные полупроводники, в отличие от кристаллических, малочувствительны к введению в них примеси. В 1975 году в экспериментах У.Э. Спира и П. Ле Комбе [2] было установлено, что некоторая форма аморфного кремния, получающаяся при разложении газа силана (SiH4), поддается легированию примесями III и V групп таблицы Д.И. Менделеева.

Примерно в это же время появляются первые работы по изучению структуры ближнего порядка аморфных полупроводников, в частности аморфного кремния (a-Si), выполненные Моссери [3] и Барном [4] и впоследствии дополненные исследованиями Грачика [5]. Основной вывод из этих работ состоит в том, что параметры ближнего порядка a-Si примерно такие же, как у кристаллического кремния, то есть первое координационное число у a-Si близко к 4, радиус первой координационной сферы близок к величине 2.35 Ä и угол между связями составляет 110-115°. Разброс парамет-

ров ближнего порядка обусловлен разницей методов и условий получения аморфных пленок. Эти данные вместе с появившимися в то время исследованиями плотности локализованных состояний в щели подвижности a-Si позволили объяснить эффект легирования некристаллического кремния и ряд других его свойств.

Позднее, в 1991 г., в совместной работе сотрудников кафедры кристаллографии и оптоэлектроники Нижегородского университета и сотрудников Центра ядерных исследований в г. Юлих (ФРГ) [6] были приведены некоторые свидетельства того, что при определенных условиях структура ближнего порядка a-Si может отличаться от обычной тетраэдрической, и она изменяется в процессе обработки этого полупроводника. Эти данные открывали перспективу целенаправленной модификации структуры аморфного кремния и получения, таким образом, полупроводника с необычными свойствами, что имело бы большое научное и практическое значение.

Целью настоящей работы было систематическое изучение изменений структуры аморфного кремния в зависимости от способов его получения, условий термообработки (отжига) и ионной имплантации, установление закономерностей структурных изменений, а также их влияние на свойства a-Si.

Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа кривых радиального распределения получить информацию о структуре ближнего порядка аморфного кремния, приготовленного методами разложения силана в тлеющем разряде (a-Si:H) и сублимации в вакууме (a-Sí). Из полученных данных выяснить какова роль водорода в структурных изменениях.

2. Для a-Si:H и a-Si установить закономерности изменения структуры ближнего порядка при отжиге.

3. Исследовать влияние имплантации ряда примесей на структурные изменения аморфного кремния.

4. Для некристаллического кремния, полученного имплантацией в кристаллы кремния сверхвысоких доз неона, в котором наблюдается эффект магнитного упорядочения, попытаться установить взаимосвязь этого упорядочения и структурных изменений, вызванных имплантацией неона.

5. Исследовать влияние модификации структуры аморфного кремния при отжиге и ионной имплантации на его свойства.

Научная новизна

¡.Впервые проведены систематические исследования влияния отжига и ионной имплантации на структуру и свойства пленок аморфного кремния, полученных различными методами. Приведены результаты расчета параметров ближнего порядка аморфного кремния.

2. Установлены и изучены неизвестные ранее закономерности перехода аморфного тетраэдрического кремния в новое структурное состояние с первым координационным числом 2 и углом между ковалентными связями 180° в процессе термообработки (отжига) и ионной имплантации.

3. Предложен механизм модификации структуры ближнего порядка аморфного кремния, основанный на реконструкции в процессе отжига ковалент-ных связей из простых ординарных (ст-связи) в двойные и тройные (а- и л-связи).

4. Впервые обнаружено образование новых слоистых соединений SixNey (клатраты) при облучении пленок a-Si сверхбольшими дозами ионов неона. Установлена взаимосвязь между формированием клатратов и явлением магнитного упорядочения в облученном ионами неона аморфном кремнии.

5. Получены новые данные об изменении оптических свойств пленок a-Si при вариации скорости напыления, температуры подложки и отжиге на

воздухе, имеющие практическое значение для изготовления на основе аморфного кремния интерференционных оптических покрытий.

Практическая значимость

Полученные в работе новые знания о модификации структуры и свойств аморфного кремния могут быть использованы в процессе создания приборов и устройств, содержащих слои аморфного полупроводника, а также при подготовке специалистов и магистров на физических и технических факультетах высших учебных заведений.

Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы под-колпачное устройство к серийной установке ВУП-5 для получения пленок а-Si:H методом разложения силана в плазме тлеющего разряда и технология напыления пленок a-Si электронно-лучевым испарением на промышленной установке ВУ-1А, исключающая разбрызгивание испаряемого материала, могут найти применение при изготовлении интерференционных покрытий для волоконно-оптических систем связи и других устройств.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Как для облученного, так и для необлученного аморфного кремния после отжига при 500 °С характерно уменьшение первого координационного числа. Максимальное уменьшение (с 4 до 2) наблюдается в a-Si:H с максимальным содержанием водорода (около 40 ат. %). Это сопровождается уменьшением межатомных расстояний и увеличением валентного угла до 180°.

2. Изменение структуры ближнего порядка аморфного кремния обусловлено реконструкцией ковалентных связей в процессе отжига. При этой реконструкции кроме одинарных ковалентных связей (а-связей) формируются дополнительные ковалентные связи (я-связи). Таким образом, ближайшие

атомы кремния становятся связанными двойными ковалентными Si = Si или даже тройными Si = Si связями.

3. В a-Si, полученном имплантацией больших доз инертных газов в монокристаллический кремний (c-Si), в аморфной матрице формируется слоистая структура, идентифицируемая нами как новое клатратное соединение SixNey.

4. Клатратная фаза SixNey содержит высокую, порядка 1021 см'3, концентрацию дефектов с нескомпенсированным спином и при температуре близкой к 150 К переходит в ферромагнитное состояние.

5. Отжиг a-Si на воздухе, так же как и уменьшение скорости напыления, ведет к снижению показателя преломления и к смещению края поглощения в высокоэнергетическую область.

Апробация работы

Результаты и выводы, полученные в процессе работы над диссертацией, докладывались и обсуждались на I Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 г.); 9 Международной конференции "Модификация материалов методом ионной имплантации" (Канберра, Австралия, 1995 г.); 3 Всероссийской научной конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 1995 г.); Всероссийской научной конференции "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Н.Новгород, 1996 и 1997 г.г.). Выполняемая работа поддерживалась грантами Госкомитета РФ по высшему образованию и международным фондом Сороса.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных трудах, включая оригинальные статьи в отечественных и зарубежных журналах, доклады на конференциях.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе и содержит 127 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 41 рисунок и список литературы из 117 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель, научная новизна и практическая значимость, перечисляются положения, выносимые на защиту.

В первой главе показано состояние решаемой в диссертации проблемы на момент выполнения работы. Глава состоит из восьми разделов в которых рассматриваются следующие вопросы:

- структура и дефекты в аморфном полупроводнике;

- функция радиального распределения электронов как метод анализа ближнего порядка в аморфных материалах;

- особенности в структуре ближнего порядка в аморфном гидрогенизиро-ванном кремнии;

- влияние отжига и примесей на структуру пленок a-Si и a-Si:H;

- кратные связи и гомология углерода и кремния;

- магнитное упорядочение в пленках аморфного кремния;

- оптические свойства аморфного кремния.

На основе анализа состояния проблемы сформулирована цель работы и способы ее достижения.

Во второй главе, в разделе 2.1, содержится описание технологии получения пленок a-Si:H в плазме тлеющего ВЧ-разряда и пленок a-Si методом электронно-лучевого испарения и методом сублимации в вакууме. Описано разработанное нами подколпачное устройство для промышленной установки

ВУП-5. Также здесь содержится описание разработанной нами технологии напыления пленок a-Si, исключающей разбрызгивание кремния.

Раздел 2.2 описывает методики и условия облучения исходных пленок методом ионной имплантации, а также их последующий отжиг.

Раздел 2.3 посвящен методике электронографических исследований образцов и получению электронограмм на просвет.

Раздел 2.4 описывает методику расчета функции радиального распределения, позволяющую проводить расшифровку структуры ближнего порядка многокомпонентных аморфных сплавов.

В разделах 2.5 - 2.8 приведены методы исследования структуры и свойств пленок спектрофотометрическим методом, методом ЭПР-спектро-скопии, методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии и методом рентгеновского спектрального флуоресцентного анализа. В третьей главе приведены результаты экспериментов и анализ структуры

ближнего порядка аморфного кремния при ионной имплантации и отжиге. На рисунке 1 представлены результаты электронографических исследований пленок a-Si:H. Данные пленки содержат около 40 % водорода. Здесь приведены зависимости интенсивности электронов от параметра S Для исходной пленки и пленки, отожженной при 500 °С. Рассчитанные из этих экспериментальных данных кривые радиального распределения представлены на рис. 2. В таблице приведены параметры первой координационной сферы. Судя по первым двум максимумам на КРР для исходных пленок a-Si:H, приведенных на рис. 2, можно сказать, что ближний порядок, характерный для кристаллического кремния, сохраняется и в a-Si:H. Разупорядочение структуры проявляется в

012345678 S, А"1

Рис.1. Угловые зависимости интенсивности рассеяния электронов для a-Si:H, без отжига и отожженного при 500 °С.

небольшом отклонении к\ и к2 от значений 4 и 12, соответственно, характерных для кристаллического кремния, в некотором разбросе значений длин связей и отклонении среднего угла между связями от идеального тетра-эдрического угла 109°28'. Мы считаем, что снижение значения к\ до 3.2 связано с влиянием водорода. Этот образец содержит очень высокую концентрацию водорода (около 40 ат. %), большая часть которого связана с атомами кремния. Поскольку водород практически не дает вклада в рассеяние электронов, то каждый атом водорода, связанный с атомом кремния, уменьшает наблюдаемое число соседних атомов кремния на единицу.

Как показали наши исследования отжиг при температуре 350 °С приводит к небольшому увеличению первого координационного числа к\ от 3.2 (для исходного образца) до 3.6. Остальные параметры ближнего порядка не меняются. Термическая обработка при 350 °С приводит, практически, к полному восстановлению (или сохранению) параметров тетраэдри-ческой структуры.

Сильное изменение структуры a-Si.II происходит при отжиге 500 °С. Хотя материал после такой термообработки остается аморфным, он имеет совершенно другую структуру по сравнению с неотожженным материалом или отожженным при 700 °С. Это следует из анализа КРР, приведенных на рис. 2. В таблице приведены параметры ближнего порядка отожженных при 500 °С образцов. Видно, что первое координационное число в этом случае

,10 £¡12345678

г, А

Рис. 2. Функция радиального распределения в а-вгН, без отжига и отожженного при 500 °С.

Таблица

Параметры первой координационной сферы

т °с к\ г\, А <Р,°

20 3.2 2.32 112

500 1.9 \Я1 180

близко к 2, средний угол между связями становится равным 180°. Факт снижения первого координационного числа и уменьшения радиуса первой координационной сферы очень важен и требует более тщательной проверки. Объяснить его просто ошибкой эксперимента нельзя.

Факт снижения k¡ до 2 означает, что, в среднем, каждый атом кремния имеет теперь не четыре, а только два соседних атома кремния, расположенных на одной прямой, то есть случайная сетка формируется из линейных цепочек атомов. Поскольку атом кремния является четырехвалентным, он должен иметь при этом два соседних атома водорода, либо атом водорода и одну оборванную связь, или две оборванные связи (это относится к любому атому кремния). Значение к\, несколько большее 2, свидетельствует о том, что часть атомов кремния в случайной сетке имеет трех соседей. Эти атомы, как мостики, соединяют линейные цепочки в единую случайную сетку.

Также интересен тот факт, что межатомные расстояния Si-Si (радиус первой координационной сферы) здесь существенно меньше, чем в кристалле, и составляет 1.9-2.0 À. По-видимому, цепочечная структура формируется в результате реконструкции Si-Si связей, активируемой разрывом Si-H связей. Известно, что при 500 °С водород интенсивно испаряется из a-Si:H, в то же время значительное количество атомов водорода еще остается в полупроводнике даже после 30 минут отжига. В процессе отжига Si-H связи разрываются, и количество оборванных связей сильно увеличивается. Оборванные связи близко расположенных атомов кремния могут замкнуться, и это приведет к смещению атомов кремния. При высокой локальной концентрации вновь образовавшихся связей, что имеет место на внутренней поверхности микропор, возможно, кроме обычных ковалентных связей, образование двойных Si=Si и даже тройных (что менее вероятно) Si = Si связей. Энергия межатомного взаимодействия в этих случаях значительно выше, поэтому атомы располагаются ближе друг к другу. Это подтверждается уменьшением радиуса первой координационной сферы. Эффект уменьшения межатомных

расстояний при образовании двойных или тройных ковалентных связей известен и может быть проиллюстрирован на примере С-С связей в ряде химических соединений. Так, длина С-С связи равна 1.544 А (алмаз), длина двойной связи ОС - 1.309 А (С2Н=С2Н) и тройной С=С связи - 1.204 А (С2Н2).

Отжиг при 700 °С ведет к частичной кристаллизации образца и восстановлению тетраэдрической координации атомов.

С целью более глубокого изучения динамики структурных перестроек в a-Si:H при отжиге, исследованиям были подвергнуты также пленки, облученные ионами неона и углерода. Облучение пленок a-Si:H ионами углерода и неона приводит к разрыву слабых (растянутых) Si-Si и Si-H связей. Возрастает концентрация оборванных связей и миграция водорода в пленке. При этом более энергетически выгодной остается тетраэдрическая структура, практически полное восстановление параметров которой наблюдается после проведения постимплантационного отжига при 350 °С.

Отжиг облученных пленок a-Si:H при 500 °С так же, как в исходном образце, ведет к интенсивному испарению водорода, сильному увеличению концентрации оборванных связей и, как следствие этого, к перестройке структуры аморфного материала и образованию кратных связей. Об этом свидетельствует уменьшение первого координационного числа и радиуса первой координационной сферы. Заметим, что значение к\ оказывается даже несколько ниже, чем в необлученном a-Si:H.

Тот факт, что структурная перестройка в пленках a-Si:H, облученных ионами неона с дозой 1-Ю16 ион/см2, продолжается вплоть до температуры 700 °С, является, вероятнее всего, следствием сохранения присутствия неона внутри пор.

Структура a-Si:H, легированного углеродом, также не возвращается к тетраэдрической после отжига при 700 °С. Возможно, для этого нужна более высокая температура.

Также представляло интерес проверить, наблюдается ли этот эффект в безводородном аморфном кремнии. С этой целью мы изучили влияние температуры отжига на структуру ближнего порядка аморфного кремния, полученного сублимацией в вакууме. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 3. Видно, что тенденция уменьшения параметров ближнего порядка наблюдается и в этом материале. 23 Для объяснения полученных ре-

225 зультатов, в частности для пленок а-22 Л'://, мы предлагаем следующую мо-г-15'' дель.

Учитывая, что эксперименты по отжигу а-БиН показывают на наиболее интенсивный выход водорода при 500

2.1 ! 2.05

200 400

600

Рис. 3. Зависимость первого коорди- °С, мы считаем, что при отжиге 500 °С национного числа ki и радиуса первой координационной сферы г, a-Si от происходит освобождение оборванных

температуры отжига.

Jr связей из-за испарения водорода, замы-

кание этих связей и образование низкокоординированных цепочечных структур типа = Si = Si = Si =, которое сопровождается сокращением межатомных расстояний из-за роста энергии связи и увеличением валентных углов. Один из возможных, на наш взгляд, механизмов образования двойных связей приведен на рис. 4.

Н

\ / — Si — Si-

/ \

н

500°С \ ^ / --»Si = Si

/

\

Рис. 4.

а - схема одного из наиболее вероятных механизмов образования 51=51-связей; б - схема перекрытия электронных орбиталей двойной связи.

В разделе 3.5 представлены результаты исследований локальной плотности состояний в пленках a-Si:H, полученные методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии (УМРС). Характер распределения спектра валентных состояний в пленках a-Si:H, полученный по данным УМРС, также свидетельствует об уменьшении координационного числа, уменьшении межатомного расстояния и изменении типа гибридизации s-, /^-состояний в пленках после отжига при 500 °С.

В четвертой главе рассматривается роль неона в возникновении магнитного упорядочения в a-Si и образование кристаллической структуры в пленках a-Si при сверхбольших дозах облучения.

Мы исследовали температурную зависимость эффузии неона из образца, облученного при комнатной температуре с дозой 1.85-ю'7 ион/см2 и хранившегося при комнатной температуре более года. Наблюдаются три хорошо выраженных пика, один из которых с максимумом, соответствующим Т= 700 °С, имеет наибольшую интенсивность. По интегральным интенсивно-стям этих пиков было определено общее количество атомов неона, испаренных из образца, в пересчете на единицу площади. Оно оказалось равным «

17 -2 17 -2

1.7-10 см , что достаточно хорошо совпадает с дозой 1.85-10 см . Такое совпадение количества внедренного неона с количеством находящегося в образце свидетельствует о том, что неон остается в образце после облучения. Если оценить плотность неона, находящегося в слое, с учетом данных, полученных методом эффузии, то она близка к плотности неона в твердом со-

22 -3

стоянии Nn = 2.2-10 см , т.е. отличается лишь в два раза от плотности кристаллического неона. Если предположить, что неон замещает в микропорах аморфизованного кремния недостающие атомы Si, то плотность облученного • кремния составит 0.86 плотности кристаллического Si, что согласуется с литературными данными.

Признаки кристалличности были обнаружены нами при исследовании электронограмм на отражение по всей глубине аморфного кремния, полученного из c-Si при сверхбольших дозах облучения > 1017 см'2 ионами неона. На электронограммах, снятых с внутренних слоев a-Si, мы наблюдали точечные рефлексы. Характер их расположения дает возможность предположить, что наблюдаемая дифракция получается от плоскостей, расположенных параллельно друг другу. Структура слоя сильно неоднородна. Период, определенный из дифракционной картины, увеличивается по мере удаления от поверхности и приближается к значению, близкому к постоянной решетки кристаллического Si (а = 5.43 Á).

Образование кристаллической структуры при сверхбольших дозах облучения, высокая плотность неона и оборванных связей кремния (Ns ~ 102'

см3) свидетельствуют о том, что атомы неона, заполняя пустоты в кремнии, наличие которых подтверждается высокой Ns> образуют с кремнием химическое соединение включения - решетчатый клатрат SiNey. Между атомами неона ("гостями"), а также неона и кремния ("хозяевами") при высокой плотности неона возникают взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Между атомами кремния, по-видимому, в основном сохраняются ковалентные связи.

Нами исследованы зависимости интенсивности сигнала ЭПР (g = 2.0055) от дозы облучения (D) для слоев кремния, облученных при низких температурах (Г, = 77 К). Накопление дефектов при таком облучении происходит быстрее и доза аморфизации уменьшается по сравнению с облучением при Г,= 300 К. Выше дозы аморфизации зависимость насыщается и число центров остается постоянным до дозы 6-10 см , а выше этой дозы вновь наблюдается увеличение Ns и выход зависимости на более высокий уровень насыщения.

В рамках предложенной в работе модели образования соединения включения SixNe наличие двух разных уровней насыщения на кривой NS(D)

обязано двум различным фазам: нижнее плато соответствует аморфной фазе кремния, а верхнее - соединению SixNey. Более высокая плотность оборванных связей в слое, насыщенном неоном, по сравнению с аморфным состоянием кремния, является причиной наблюдаемого перехода облученного слоя в ферромагнитное состояние. При этом переход в ферромагнитное состояние наблюдался нами как в образцах, облученных при комнатной температуре, так и при облучении при температуре 77 К. Полученные результаты хорошо описываются в рамках модели неоднородного распределения спиновой плотности в облученном кремнии.

В пятой главе приведены результаты исследований оптических свойств пленок a-Si, полученных при различных температурах подложки (Ts), скорости напыления (Ks) и подвергнутых отжигу на воздухе.

При объяснении полученных данных мы исходили из того, что в результате изменения условий напыления пленок и последующего отжига на воздухе возможны как структурные перестройки, приводящие к изменению параметров ближнего порядка a-Si, уменьшению концентрации и размера пор, так и проникновение в пленки посторонних примесей, например кислорода. Руководствуясь теорией эффективной среды и моделью Пенна, мы попытались оценить вклад каждого из этих факторов в изменение оптических параметров исследуемых пленок.

В работе приведены спектральные зависимости показателя преломления п и коэффициента экстинкции к пленок a-Si, полученных методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Как и в большинстве литературных данных, в нашем случае значения и дисперсия показателя преломления пленок a-Si выше, чем у кристаллического кремния (c-Si) в. исследуемом интервале частот. Для объяснения данного эффекта мы учитывали, что в аморфном кремнии помимо нарушения дальнего порядка имеется высокая концентрация дефектов матрицы: оборванные связи, поры, посторонние примеси и др. Вариация условий получения, а именно: уменьшение 7$ от 250 до 20 °С и

Vs примерно в два раза, приводит к качественно одинаковому изменению п пленок - к снижению его величины вблизи края поглощения. При этих условиях уменьшается и дисперсия показателя преломления. Вариации Ts и Vs по-разному влияют на поведение к(а>). Так, уменьшение температуры подложки ведет к смещению края поглощения в длинноволновую область, а уменьшение Vs вызывает смещение края поглощения аморфного кремния в область высоких энергий. Этот факт позволил нам считать, что механизм уменьшения показателя преломления при снижении Ts и Vs различен.

Снижение Ts ведет, очевидно, к росту размеров пор в a-Si. Это, в свою очередь, приводит к снижению п, приближая его к значениям c-Si, а при очень больших порах (~50-100 нм) - к значениям показателя преломления, меньшим, чем у кристаллического. Поскольку при этом происходит уменьшение ширины зоны Пенна (hag), максимум зависимости к(а>) и, следовательно, край поглощения смещается в длинноволновую область, что мы и наблюдали на экспериментальных зависимостях. Уменьшение hcoz в этом случае объяснялось уменьшением среднего координационного числа.

Уменьшение скорости напыления должно приводить к уменьшению пористости пленки, и в этом случае, должен наблюдаться рост показателя преломления, но, с другой стороны, при низких скоростях напыления в пленку попадает большее количество посторонних примесей таких, как кислород, водород, углерод и т.д. Мы предположили, что в исходном a-Si размер пор около 0.5 нм и, следовательно, трудно представить себе дальнейшее уменьшение их размера при снижении скорости напыления. Таким образом, влияние снижения скорости напыления на оптические характеристики a-Si через уменьшение размера пор является маловероятным. Для выявления роли посторонних примесей мы рассмотрели совместно влияние скорости напыления и последующего отжига a-Si на воздухе, поскольку в последнем случае следует ожидать проникновения посторонних примесей в пленку из атмосферы. Согласно экспериментальным данным отжиг a-Si на воздухе, так же как и уменьшение скорости напыления, ведет к снижению показателя преломления и к смещению края поглощения в высокоэнергетическую область. Предлагаются возможные варианты объяснения этим явлениям.

На основе проведенных исследований были установлены технологические условия воспроизводимого получения пленок аморфного кремния с максимальным п и минимальным к в диапазоне от 0.8 до 1.8 мкм. Была также отработана методика напыления интерференционных покрытий на основе чередующихся слоев аморфного кремния и диэлектрика, пригодных для изготовления зеркал для полупроводниковых лазеров, узкополосных и отрезающих фильтров и автомобильных зеркал. При этом достигнуто значительное упрощение и удешевление конструкции, увеличение надежности и воспроизводимости параметров покрытия, по сравнению с традиционно применяемыми для этих целей диэлектрическими материалами.

Основные результаты работы

1. Впервые' проведено систематическое изучение структуры ближнего порядка аморфного кремния, полученного разными способами, при ионной имплантации и термическом отжиге.

2. Как для облученного, так и для необлученного аморфного кремния после отжига при 500 °С, обнаружено уменьшение первого координационного числа. Максимальное уменьшение (с 4 до 2) наблюдается в a-Si:H с максимальным содержанием водорода (около 40 ат. %). Это сопровождается уменьшением межатомных расстояний и увеличением валентного угла до 180°.

3. Наблюдаемые изменения объясняются реконструкцией ковалентных связей. В процессе отжига, кроме одинарных ковалентных связей (о-связей), могут формироваться дополнительные ковалентные связи (л-связи). Образование Si = Si и Si = Si связей наблюдалось в ряде соединений (силены и дисилены), но в твердой фазе нами наблюдались впервые.

4. В a-Si, полученном имплантацией больших доз инертных газов в c-Si, в аморфной матрице формируется слоистая структура, идентифицируемая нами как новое клатратное соединение SixNey.

5. Этот имплантационный материал содержит высокую, порядка 1021 см'3, концентрацию дефектов с некомпенсированным спином. При температуре близкой к 150 К эта клатратная фаза переходит в ферромагнитное состояние.

6. Насыщение оборванных связей кислородом и образования более сильной Si-О - связи вместо Si-Si - связи при отжиге a-Si на воздухе или при снижении скорости напыления ведет к уменьшению показателя преломления и смещению края поглощения в высокоэнергетическую область.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Хохлов А.Ф., Ежевский А.А., Машин А.И., Хохлов Д.А. Новое клатратное соединение SixNey // Доклады академии наук. - 1994. - Т. 339. - Вып. 3. -С. 370-373.

2. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Павлов Д.А., Хохлов Д.А. Возникновение двойных связей кремний-кремний в пленках a-Si:H, облученных неоном и углеродом при отжиге // Физика и техника полупроводников. - 1994. - Т. 28.-Вып. 10.-С. 1750-1754.

3. Хохлов А.Ф., Ежевский А.А., Машин А.И., Хохлов Д.А. О роли неона в образовании магнитно-упорядоченных слоев при сверхбольших дозах облучения // Физика и техника полупроводников. - 1995. - Т. 29. - Вып. 12. -С. 2113-2121.

4. Хохлов А.Ф., Ежевский А.А., Машин А.И., Хохлов Д.А. Магнитное упорядочение спинов оборванных связей при сверхбольших дозах облучения кремния неоном // Высокочистые вещества. - 1995. - Вып. 2. - С. 68-71.

5. Ershov A.V., Ezhevskii А.А., Khokhlov A.F., Mashin A.I., Mashin N.I., Khok-hlov D.A. Germanium implantation into amorphous silicon films // Nucler Instruments and Methods in Physics Research, В 106. - 1995. - P. 257-261.

6. Терехов B.A., Хохлов А.Ф., Ковалева H.C., Кашкаров В.М., Домашевская Э.П., Хохлов Д.А. Изменения локальной плотности электронных состоя-

ний и ближнего порядка в аморфных пленках гидрированного кремния // Физика твердого тела. - 1997. - Т. 39. - Вып. 2. - С. 243-245.

7. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Павлов Д.А., Хохлов Д.А. Аморфный кремний с двойными ковалентными Si = Si -связями II I Российская конференция по физике полупроводников - Н. Новгород, 1993. - С. 359.

8. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Павлов Д.А., Хохлов Д.А. Образование низко-координированной структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния, облученных ионами углерода и неона при отжиге // Всероссийская научно-техническая конференция: "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" - Таганрог, 1994. - С. 43.

9. Khokhlov A.F., Ezhevskii А.А., Mashin A.I., Khokhlov D.A. Magnetic Properties of the Silicon-Neon Clathrate Compound Induced by Neon Beam in Super High Doses Irradiated Silicon // 9 International Conférence on Ion Beam Modification of Materials - Canberra, Australia, 1995. - P. 07.061.

10. Khokhlov A.F., Ezhevskii A.A., Mashin A.I., Ershov A.V., Mashin N.I., Khokhlov D.A. Germanium Implantation into Amorphous Silicon Films // 9 International Conférence on Ion Beam Modification of Materials - Canberra, Australia, 1995.-P. 10.021.

11. Хохлов Д.А. Получение и свойства термочувствительного аморфного кремния для волоконно-оптического датчика температуры // 3 Всероссийская научная конференция студентов-физиков - Екатеринбург, 1995. -С. 48.

12. Машин А.И., Хохлов А.Ф., Ершов А.В., Хохлов Д.А. Модификация структуры и свойств аморфного кремния при отжиге и ионной имплантации И Всероссийская научная конференция: "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" - Н. Новгород, 1996. - С. 69.

I

13. Ежевский А.А., Машин А.И., Хохлов А.Ф., Хохлов Д.А. Магнетизм аморфного и модифицированного бомбардировкой ионами инертных га-

зов кремния // Всероссийская научная конференция: "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" - Н. Новгород, 1996. - С. 65.

14. Терехов В.А., Хохлов А.Ф., Ковалева Н.С., Кашкаров В.М., Домашевская Э.П., Хохлов Д.А. Локальная плотность электронных состояний и ближний порядок в аморфных пленках гидрированного кремния // Всероссийская научная конференция: "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" - Н. Новгород, 1996. - С. 42.

15. Ершов A.B., Звонков Б.Н., Машин А.И., Хохлов Д.А. Оптические свойства аморфного кремния и его применение в элементах оптоэлектроники // Всероссийская научная конференция: "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" - Н. Новгород, 1996. - С. 28.

Цитируемая литература

1. Ioffe A.F., Regel A.R. Non-Crystalline Amorphous and Liquid Electronic Semiconductors. - In: Progress in Semiconductors, vol. 4, London, 1960, p. 231-238.

2. Spear W.E., LeComber P.G. Substitutional Doping of Amorphous Silicon.- Sol. St. Commun., 1975, 17, N 9, p. 1193-1196.

3. Mosseri R., Sella C., Dixmier J. Phys. Stat. Sol. (a), 52, 475 (1975).

4. Barna A., Barna P.B., Rednoczi G., Toth L., Thomas P. - Phys. Stat. Sol. (a), 41, 81 (1977).

5. Graczyk J.F. Phys. Stat. Sol. (a), 55, 231 (1979).

6. Хохлов А.Ф., Байер В., Павлов Д. А., Вагнер Г. - Высокочистые вещества, 3,с. 79-82 (1991).

Подписано в печать 15.09.97. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. 1 л. Заказ 1086. Тираж 100 экз.

Типография ННГУ. Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.