Получение аморфных и микрокристаллических тонко-пленочных материалов a - Si1-xCx:H, мс - Si:H и исследование свойств пленок и приборных структур на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

пГ ^ А П

у 1 О •••

2 2 ® УАК 621-315-592

' " На правах рукописи

МАВЛЯНОВ Равшан Каршибаевич

ПОЛУЧЕНИЕ АМОРФНЫХ И МИКРОКРИСТАМИЧЕСКИ! ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ а -Зс^С^Н, /¿с - ¿иН И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛЕНОК Й ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР ПА ИХ ОСНОВЕ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертанди на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор АНДРЕЕВ A.A.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор КЕСАМАШШ Ф.П.,

доктор физико-математических наук

цэцшн к.д.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный

университет.

Защита состоится __1996 г. в ¿Г^часов

на заседании диссертационного совета № К 003.23.01 прк Физико-техническом.институте ем.А.Ф.Иоффе РАН до адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "

/Г "1996 г.

Отзывы на автореферат просим»направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета, в двух экземплярах, заверенных печатью.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат физико-математических наук

нц

Г.'С.КУЛИКОВ

—»

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темн. Аморфные гидрогенизированные полупроводники в последнее десятилетие прочно вопли в арсенал материалов современной электронной техники. Наиболее утвердившиеся позиции эти материалы завоевали в индустрии прямого фотоэлектрического преобразования солнечной энер/.ш и в оптоэлектронике в качестве транзисторных матриц управления кидко-кристаллическими трехцветными плоскими ТВ экранами.Известен и ряд других ваглеЗших приложений, таких как фотсеенсоры' видимого диапазона, линейные считывающие фоточувствительные регистры на основе диодов Шоттки и

. др.. Базовым объектом класса аморфных гидрогенизированных полупроводников яаляется аморфный кремний a -Sl:H. Его спутникам в области меньших ширин зон - аморфный германий, в области больших зон - сплавы кремний-углерод и'аморфный углерод.

В последние годы все больший интерес проявляется не только к "чисто" аморфным пленкам, но и к так называемым микрокристаллическим ( ро) слоям, а также смешанным (a+/¿c) фазам. Слои /te и (a+/«-cJ в микроструктурном плане состоят из сверхмалых до 0.00 К) кристаллических образований, плотно увязанных аморфными прослойками, при этом смешанные фазы характеризуются меньшей суммарной плотностью крйсталлов в аморфной матрице. Экспериментальные исследования оатоэлектрошшх свойств таких материалов показали ряд интересных свойств, так,например, рост ширины запрещенной зоны для определенных микроструктурнкх модификаций и высокую эффектиность легирования.

Материалы - спутники аморфного кремния, в том числе и микрокристаллические, изучены в значительно меньшей степени, чем a -SÍ:H. Не решены и многие прейлемы их технологии. С другой стороны, эти материалы чрезвычайно ваяны и как самостоятельные с отличной шириной зоны, так и как гетеропары к аморфному кремнию. В света сказанного г плача исследования этих материалов представляется актуал! ой. В настоящей диссертации внимание сосредоточено на широкозонных материалах: это систем аморфных сплавов а - Si.j_.jC :Н и /*с-Ы:Н.

Цель работы. Целью работы является разработка технологии получения тонкопленочных материалов г - $lj_xCx:H при х=0+1.0 а

- Si :Н, исследование их оптических и фотоэлектрических свойстя. создание активных р - I - п структур на основе этих матрриапов,

исследование механизма токспереноса в структурах и применений в оптоэлектронике.

Объект исследования. Объектом исследования являются аморфные гидрогенизированные сплаЕЫ а - 51]__ХСХ:Н в диапазоне изменения X от 0 до 1.0 и мшфокристаллическиз фазы /¿с - 61 :Н. Объектами исследования являются активные приборные структуры на основе перечисленных матергалов - р - I - п-структуры, инжекционные светсдкоды и фотопреобразозэтели.на основе этих структур.

Задачи исследования и новизна. В соответствии с поставленной задачей решались следующие основше задачи:

1. Разработка технологии получения аморфных сплавов а -¿ц-хОоН. Эта задача включает оптимизацию многопарачетрического технологического процесса с целью достижения приемлемых оптоэлектронньк характеристик материалов.

2. Разработка технологии получения микрокристаллических

/¿с - £1:Н. Эта технология предусматривает применение саециаль-ного метода сверхсильного разбавления реактивных газов Бодородом. Плазмохимический процесс при этом приобретает новые черты.

3. Характеризация тонкопленочных материалов. Эта задача предполагает измерения оптического поглощения с целью оценки ширины зоны, фотолшинесцеятных и фотоэлектрических свойств.

4. Создание приборных структур. Имеются в виду структуры со встроенные потенциалом,'наличие которого обеспечивает инжекционные и фотовольтаические свойства. Простейшие структуры со встроенным потенциалом - это структуры типа р - I - п, где р - и - п-легкрованные слои с дырочной и электронной проводимостью. Следовательно, необходимо отработать технологию легирования в р- и п-ТШ1.

5. Исследпзение инкекционных сво?зтв структур к анализ механизма переноса тока в р- I -п-переходах на базе а- и /и-о- материалов.

6. Исследование сптоэлектронных электролюминесценткых и фотовольтаических свойств р- ¡-~п-структур.

Все вышеперечисленные позиции, составляющие основное содержанке диссертации, являются новы®, практически почти не изученными направлениями в области аморфных полупроводников А^, и это обстоятельство и определяет новизну данной работы-

Основные результаты и практическая ценность работы.

1. Разработан метол двухмодового возбуждения плазменного разряда в смеси реактивных газов силан-метан. Применены частоты 13.56 и 70 МГц. Показана эффективность ультравысокочастотного плазменного разряда в магнитном поле для диссоциации и ионизации газовой смеси из коущонентов с различньыи коэффициентами диссоциации смсси силан-.летан, силан-водород , что позволило получить непрерывный ряд твердых растворов в системе гидрогенизиро-ванный аморфный кремний - гидрогенизированкый аморфный углерод.

2. Методом водородного разбавления получены микрокристаллические слои гидрогенизировзнного кремния /¿с - :Н. Установлены конкретные технологические режимы метода водородного разбавления для указанных материалов.

3. Изучены оптические и фотолюминесцентные свойства гидрогени-зированных аморфных и микр кристаллических тонких пленок

а - 5и-кСх:Н, А" с - :Н.

"Показано, что оптическая ширина запрещенной зоны в сплавах а - 51|-хСх:Н 'монотонно увеличивается по мере обогащения сплава углерода от 1,7 эБ до 3,6 эВ. Спектры стационарной фотолюминесценции сплавов широкозонных а -5и-хС*:Н перекрывают видимый диапазон и могут наблюдаться при комнатной температура. Для фотолюминесцентного излучения этих сплавов характерен стоксов-ский сдвиг.

Показано, что оптическая ширина зоны в - :Н по сравнению с Ед в а -£>1:Н увеличивается до 2,0 эВ. Спектр оснгвного пика фотолюминесценции /¿с - материала практически не имеет стоксовского сдвига. Излучение носит краевой характер.

4. Установлено, что методика глубокого водородного разбавления, т.е. при содержании реактивной смеси в водороде менее 5%.позволяет получать пленки р- и п- типа проводимости, если в качестве реактивной смеси используются композиции 2% ^Н^ + / (СН4)у] и 1% РНд + 99£[(51 Н^.у+ССН^у] , соответственно. При атом в силу того, что эффективность легирования падает с ростом у , предельные максимальные значения у для получения слоев р- и п-типа не должны превышать 0,3.

5. Получены р-1-п-структуры на основе составов системы

а - 5ч-хСх:Н со значением X - 0 - 0,6 и р -с -п с I -слоем на

основе /ис - :Н.

6. Для оплавог системы а - Б'и-хС* :Н разработаны структуры о горячими носителями тока типа рДип и рД[Дп, где Д - туннельный диэле4.грик на основа а - $10.о5 Со.эь :Н.

7. Изучены шшекционные характеристики р - I - п-структур на оонове аморфных и микрокристаллических слоев. И в первом, и во втором случае токопоренос описывается туннельным механизмом, однако физиччокяя природа для туннельного переноса для разных групп материалов оказывается различной. Для структур на основе аморфных слоев ВАХ определяется контактными процессами. Для структур на основе микрокристаллических слоев эффект туннали-рования скорее связан с прослойками аморфной фазы мекду микрокристаллами.

8. Для р - с - п структур на основе широкозонных аморфных сшшвов обнаружен светодиодный эффект. Излучение в видимой об-лаоти в прямом смещения наблюдается при пороговых токах порядка 100 мА/ом2.

9. Обнаружен эффект инфекционной влектролюшнесценцаи в

р -I- п-структурах с микрокристаллическим слоем а - 51 :Н. Показано, что излучение является меязонным по природе. Высказано предложение, что излучение связано с оптическими переходами в объеме возбужденных малых. кристаллических кластеров кремния.

10. Изучена работа "аморфных" и "микрокристаллических" : р -I - п-структур в фотовольтаическом режиме. Показано, что эффективность преобразования для структур на основе системы

а - 51|-х Сх :Н . падает с ростом X. Для сплавов этой системы характерен дрейфовый механизм собирания носителей тока.

Показано, что эффективность собирания в "тонких" р -I - п-структурах на основе /¿с - -Н может приближаться к 1.

Практическая ценность результатов работы состоит в том,.что получены новые полупроводниковые тонкопленочные материалы,совместимые технологически с кремниевой электроникой, которые об-, ладают свойствами, представлявши «гл интерес для приборов видимого диапазона:.фотоприемников.и.светодиодов. .

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод двухгодового возбуждения плазмы в плазмохимическом реакторе для получения аморфных материалов сложного состава и микрокристаллических материалов путем плазмохимического разло-

жения смеси реактивных газов, например, силана и метена или смеси силан-вояород, различающихся.коэффициентом диссоциации. Метод предполагает одновременное использование частот возбуждения 13.55 МГц и 70 МГц. Метод реализован по отношению к аморфным сплавам системы а - 51|-хС*:Н и микрокристаллическому кремнию /4-с - вь :Н.

2. Экспериментальное исследование и оптимизация технологических режимов метода водородного разбавления для получения микрокристаллических слоев /ио - ЭиН. .

3. Результаты по исследованию оптических и фотолюминесцвнт-ных свойств широкозонных аморфных сплавов а - Б'и-х Сх:Н и микрокристаллических материалов /сс - £>и :Н. Главные из них:

1) монотонный рост ширины зоны в аморфных сплавах с ростом содержания углерода, 2) увеличение в гидрогениэированном кремнии при переходе от аморфной м»дафикацяи к микрокристаллической, 3)меазонннй характер переходов в микрокристаллическом кремнии.

-4, Экспериментальное определение условий легирования оплавов 51|-кС*:Н при X = 0 + 0,6 в условиях водородного разбавления и создание р - I- ц-структур как на основе аморфных, так и микрокристаллических собственных слоев этих сплавов.

5. Туннельный характер механизма токопрохождения в р -V - п-структурах.-При этом для "аморфных" р -I- п туннельный механизм ассоциируется с туннельными процессами на интерфейсах р/с и 1/а или р/ДЛ и 1/Д/п, где Д - туннэльнопрозрачный диэлектрик.

Для р -I - п-структур с ^с - I- слоем туннельный харчктор ВАХ предположительно связан с туннелированием через тонкие прослойки аморфной фазы между микрокристаллитами.

6. Наблюдение и характеризация светодиодного эффекта обусловленного инжекционной электролюминесценцией в широкозонных р - I -м-структурах на а - 51ьх Сх:Ь.

7. Обнаружение инжекционной электролшинесцонции в р -1 - п -структурах на основе микрокристаллических слоев - Ы :Н. Подтверждение межзонного характера наблюдаемой электролюминесценции "голубой сдвиг" мекзонкого излучения связан с уширениеч зоны в микрокристаллической фазе гидрогенизированного кремния как по отношению к аморфному, так и кристаллическому кремнию,

8. Экспериментальное наблюдение и описание закономерностей из-

менения фотовольтаического эффекта в р - I - п-структурах на а - Sli-^CyrH и yuc - SL:H. Дрейфовый механизм собирания неравновесных носителей в фотодиодных структурах на а - Si.i-xCx:H при 1 i 0,6.

Д1ШО0?ция работы. Основные результаты работы трижды докладывались на семинарах ФГИ им.А.Ф.Иоффе РАН и на Международной конференции по поликристаллическим полупроводникам PoEyse » Garqo.no Iiaty, 1995 Г. .

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации, диссертация состоит из четырех глав, первая из которых вводная, заключения, содержащего выводы по диссертации в целом, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 163 страниц, включая 78 рисунков, 4 таблицы.Список цитированной литературы насчитывает 120 наименований.

СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ

Во вводной глава обоснована актуальность темы, кратко сформулированы цели и задачи работы, изложены основные результаты и представленные.к защите положения. В заключение главы дается развернутое обоснование работы и делается постановка задачи.

Вторая глава лосвящена изложению основных принципов технологии аморфных гидрогенизированных полупроводников, конкретно сплавов ¿истеки кремний-углерод, микрокристаллических смешанных фаз и описанию экспериментальной технологической методики.

Б первом разделе главы дается краткое обоснование метода получения, аморфных гидрогенизированных пленок в процессе плазменного разложения реакционных газов силака или метана, рассматриваются процессы, происходящие в газовой фазе, т.е. в области . . плазменного разряда, и.гетерогенные процессы, протекающие на границе, раздела газов&э фаза - подложка, т.е. процессы роста. Отмечается, что помимо процессов диссоциации газовых компонент на фрагменты, являющиеся материалом для роста пленки в разрядном промежутке, могут происходить процессы типа полимеризационных, ведущих к (армированию пылевидных микрочастиц, которые,внедряясь в пленку, могут свести на нет ее качество. Рассмотрены пути подавле ния этого явления. Особое внимание уделено усложнению как про-

цессов распада в плазме, так и ростовых в том случае, когда в реактор подается смесь реакционных газов с различными параметра:® диссоциации. Именно такой случай имеет место как при работе со смесью силана и метана, необходимой для приготовления аморфных пленок система кремний-углерод, так и со смесью силана и водорода, используемой для роста /л-с - пленок. Показывается, что в этом случае особенно трудно для системы силан-метан избежать полимеризации в газовой фаз«, поскольку диссоциация метана требует повышенного эпзрговклада в плазменный разряд, что способствует формированию микрочастиц. Отдельно рассмотрены условия роста микрокристаллических, пленок и вопросы "химического" отжига пленок в атмосфере водородной плазмы.

Второй раздел главы посвящен обзору известных из литературы вариантов построения плазмохимических реакторов. Рассмотрены реакторы типа плоский кошгчсатор, с третьим электродом-сеткой, магнетрокный и с щяшзр^яием повышенной частоты вплоть до циклотронной. Анализируются специфика работы этих конструкций, их достоинства и ■ недостатки.

В третьем раздело суммируются итоги литературного обзора и на этом основании формируются требования к технологическому процессу получения аморфных гидрогенизированных полупроводников а - 51 :Н, а - (51- С) :Н, /не - :Н и, соответственно, к экспериментальной технологической установке.

1. Важнейшими из них являются рисширенный диапазон рабочих давлений и потоков реакционных газов и обеспечение р&яимг-ч устойчивого горения плазмы во всем диапазоне давлений.

2. Вариация энерговклада в плазменный промежуток в пределах .3 + 4 порядков величины.

3. Изменение рабочей частоты разряда и возможность возбуждения на двух частотах в случае работы со смесяли газов с розничными потенциалаV® ионизации.

4. Применение двух систем вводе реакционных газов в кэмпру.

5. Обеспечение плававшего потенциала на подложке или регулируемого внешним смешением.

В разделе 4 дается описание экспериментальной установки, а также описание методик диагностики плазмы и ростового процесса.

Установка сконструирована в соответствии с внтосформулирован-ными требованиями. Для обеспечения стабильности рпзрьцп при малых

-Подавлениях применено магнитное поле. Для повышения ионизационной способности разряда применен метод двухгодового возбуждения плазмы на частотах 13,56 МГц и 75 МГц.

Дня обеспечения возможности работы системы под плавающим потенциалом подложкодержателя или под внешним регулируемым смешением разработана оригинальная система подачи ВЧ мощности в камеру, при которой подложкодержатель оказывается электрически развязанным от любого из элементов ВЧ-ввода. Сам ввод представляет собой укороченный индуктивностью вибратор. Для работы на двух частотах таких вибраторов предусмотрено два.

Для контроля плазменного разряда разработан электростатический трехэлектродшй 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 роста, 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. позволила следить за скоростью роота пленки и оценивать толщину пленки en Slltj . в случае роста многослойных структур эти данные могли быть получены для каждого последующего слоя независимо.

Третья глава посвящена описанию технологических режимов получения пленок а - SL ;Н, (лс - St:H, а - (ü- С) :Н, р- и п- типа легированных слоев этих материалов и результатам по исследованию оптических, фотоэлектрических и фотолюминесцентных свойств пленок.

Глава делится на два подраздела, посвященные, соответственно, а - Sí :Н, /ас - Si :Н и а - (Si - с) :Н. Каждый из объектов исследования требует индивидуальной обработки технологических режимов. Опыт показал, что различие режимов весьма существенно. Для роста а - £>1:Н требуется режим с минимальным энерговкладом в плазму. Реактор работает вокрестности минимальной точки кривой Пашена. Для получения цс - St :Н и сплавов а - S¿t-xCx:H, обогащенных углеродом #уже ниобходимо применять двухчаототное возбуждение. При атом растет »лектронная температура в плазме и.как результат,происходит более интенсивная диссоциация молекул той компоненты реакционной смеси, которая обладает большим порогом диссоциации. В

- 11 -

рассматриваемом случае это водород или ыетан. В результате в случае роста /¿с - пленок удается войти в режим "химического" водородного травления растущей пленки, в случае ко а -Би-хС^Н, т.е. двухкомпонентного сплава,удается получить примерное соответствие состава пленки и состава газовой смеси, что представляется одним из ваяснейлих технологических достижений, В тексте диссертации приводятся результаты по технологическим режимам для пленок /и.с -5'-:Н и.а -(¿>1-С):13.

Микрокристаллический характер 5I:Н пленок, полученных в условиях водородного травления,подтвержден прямыми наблюдениями макроструктуры методом.электронной микроскопии сверхвысокого разрешения. Эти наследования выполнены в лаборатории микрохаран-теризации материалов в Эрлангском университете под руководством проф. Г.П.Штрунка. Электронномикроскопаческие снимки с наивысшим разрешением,достигающим 2.7 ^убедительно демонстрируют, что ^с - ¿с. :Н пленки представляют собой систему микрокристаллов, увязанных между собой тонкими прослойками аморфной фазы. Характеристические параметры этой системы, т.е. размер кристаллов, их суммарный объем относительно аморфной фазы, распределение кристаллов по размерам существенно зависят от технологических параметров и могут быть'управляемы в пределах от.сверхмелкодисперсных структур, т.е. с размером кристаллов 10 + 40 к (т.е. наноструктур) до истинно микрополикристаллических с размером кристаллитов 1С0 - 300 А. При этом объем аморфной фазы может в лучшем случае составлять 30 - 50 %.

Измерения собственного оптического поглощения в пленках ¿с - :Н показывают, что пленки с размером кристаллитов до 50 А, с.е. в пределах наноразмерной шкалы, показывают утирание оптического зазора, определенного по соотношению Тауца. Если для еморф-шх пленок Е<| составляет 1.7 эВ, то для ас - ЬиН оптический ¡азор составляет 2.0 + 2.\ эВ. Оптический зазор, определенный по »ровню поглощения Ы. = 104 см-1, Е? для а - Эс :11 равен ..95 эВ, лля пс - 5I:Н - 2.34 эВ. Последняя величина близка к ¡начению Ь'ач для с -Бс , равному 2.25 эВ. Наблюдение уши рения этического зазора для пс - 51 :Н - главный результат этого раз-.ела работы. г

Измерения фотолюминесценции в пс - 51 :Н показывают, что ».ч;ха-изм излучат^льной реколбинации в этом маториали ирдшш'.иапыю

отличается от известного для аморфного кремния. Положение пика

1.9 эВ , слабая температурная зависимость и быстрая кинетика затухания < 5-Ю-8 с. свидетельствуют о межзонном характере излучительных переходов.

В системе а - Si|-xC*:H исследовано поведение оптического зазора Тауца и зазора Ео.ц в зависимости от X. Показано, что ширина зоны, определенная по значению = 10"^ см"^, монотонно растет по Айгро увеличения содержания углерода в сплаве, тогда как по Тоуну испытывает насыщение при Х>0.8. В целой зптрение зазора при обогащении сплава углеродом монет достигать в пределе X = 1 3.1 + 3.6 эВ в зависимости от технологического режима.

Измерения й'отолюминесценции в системе сплавов а - Si-x СХ:Н показывают, что сплавы системы обладают фотолюминесценцией, характеризующейся значительным стоксовским сдвигом,достигающим 0.5 еВ. Положение пика 'фотолюминесценции является функцией состава и следует за изменением ширины запрещенной зоны. Установлено, что по мере обогащения сплава углеродом температурное гашение фотолюминесценции ослабевает, что приводит к более интенсивной излучательной рекомбинации в обогащенных углеродом сплавах при комнатной температуре по сравнению с а - &L:Н. Этот . факт делаат сплавы а - St-C :Н перспективными для приложений в тонкопленочных светодиодах.

Третья глаза т¡кже содержит раздел, посвященный получению легированных слоев а - £l :Н и а - Sli-xCx:H р- и п- типа. Эффективность легирования удается повысить,применив методику водородного разбавления. Показано, что эффект легирования в системе а - Si.|_x Сх:Н практически ограничен состава® с X 6 0.3. . Четвертая глава посвящена активным приборным структурам типа р - I - п на основе аморфных и микрокристаллических пленок Sc :Н и а - Si.,-XCX:H, изучению механизма токопереноса через р - t - п-перэход и определению основных параметров инжекционной электролюминесценции и фотовальтаического эффекта.

В первом разделе главы рассмотрены более традиционные в аспекте физики протекающих процессов р - I - п-переходы на основе системы а - S:..XCX:H. Приборные структуры были получены последовательным нанесением р, L и п-слоев на стеклянную или кварцевую подложку с предварительно нанесенным токопроводящим окислом

Зпу5пч0т. с поверхностным сопротивлением 40 Ом/см2. Поверх п- слоя наносился металлический А1 контакт иагнетронным распылением и площадью 1-10 мм2. Толщины р, с и д слоев составляли, соответственно, 8 - 10, 30 - 70, 25 нм.

Измерения темновых ВАХ показали, что инжектирующие свойства рЛ - и 1/п- переходов зависят от состава сплава, т.е. от параметра X. Если аппроксимировать ВАХ классической для р/п переходов экспоненциальной зависимостью .

то X = 0, т.е. а - 1.5 * 1.7,. т.е. укладывается в

пределы 14-2, допускаемые теорией термодиффузионного перенооа в р - I - п-переходе. Для X = 0.3 фактор качества "п " достигает значений 4 -г- 5 и для. X = 0.6 15 - 20. Более того, с ростом X аппроксимация экспериментальной ВАХ экспонентой становится все более приближенной. Столь большие значения (1 и отклонение от экспоненциальной зависимости могут быть объяснены сменой механизма кннекщш в р/С . .. и д/1 переходах с термодиффузионного на термотуннельный, что и.не должно вызывать больших сомнений, т.к., во-первых, по мере увеличения ширины зоны Е^ I - слоя ка рЛ и ц/п интерфейсах формируются барьеры, поскольку для р, п областей выбран состав с Х = 0.3, т.е. с фиксированной и относительно меньшей Е3, во-вторых, с ростом X, т.е. с увеличением Е3 , растет плотность локализованных состояний, что повышает туннельную прозрачность.возникавшего барьера. В случае инкекцяи путем термотуннелирования где . Е-х^при см-^, .и учете многоступенчатого характера туняелирования может достигать нескольких ЬТ. Таким образом, ВАХ для составов .с. относительно. малым X получают .естественна объяснение... Для составов с Х?= 0.5 туннельная компонента тока через контакт становится еще более .четко, выраженной. Анализ экспериментальных данных показывает,_ что тенденции, которые имеют место в отклонении от экспоненциальной зависимости, могут быть вполне удовлетворительно описаны в координатах Фаулера-Нордгейма

3 ~У2ехр . Действительно, в хода работы при попытке

реализовать задачу повышения электронной температуры инжектирур • мых в I - слой неосновных носителей в р - I -п-структуру были введены туннельно тонкие диэлектрические прослойки в интерфейсах

р/£ и i/a. Эти искусственно введенные барьеры привели к В АХ, достаточно точно следующим вышеприведенному соотношению, и, таким образом, предложенный механизм токопереноса вр-t - а на

• сплавах а - (Si - С):Н, базирующийся на учете туннельных токов, получает дальнейшее подтверждение.

В следующем подразделе главы излагаются результаты по электролюминесценции из р- I - п-структур. Как из р - I - п-структур, так и из структур pSin, рД1Дп, где Д - туннельный диэлектрик с I- слоем иа основе состава С0(^Н, была обнаружена электролюминесценция с пиком излучения 620 нм, достаточно хорошо видимая невооруженным глазом как бело-желтое свечение. Как показали измерения спектра излучения, белый цвет свечения обусловлен большой шириной спектра излучения (д4»0.6 эВ на полувысоте) и наличием протяженных хвостов. Пороговая плотность тока, соответствующая видимому зажиганию светодиода,составляла 4Q0 мА/см^ для р -1 - п-структуры и 100 мА/с«^ для структуры рд(Дп. 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 излучающей поверхности,также ниже и примерно на эту же величину. В заключение раздела обсуждаются возможные механизмы возбуждения излуча-тельных переходов: Межзонная ударная ионизация,' приводящая к возбуждению экситоноподобных центров, и туннельная излучательная рекомбинация свободных эликтронов и дырок, шжектируе.лых в i- слой n/í- и рД-перехода.ии.

Во второе раздел^ обсуждаются особый свойства р - L - п-структур на основе пс - Si:H собственных слозв. Изучены те¿новые ВАХ этих структур и обнаружено, что при некоторых критических значениях напряжения см иения эти структуры испытывают "прокол", при этом им. ет Место переброс ветви ВАХ в область больших токов и меньших напряжений. Эти вторичные ветви ВАХ устойчивы и достаточно хорошо описываются туннельными токами Фаулера-Нордгейма.

• Исследование показало, что с ростом мощности токовой накачки при неизменно* характере процесса наблюдается смещение вторичной ВАХ в область больших токов до тех пор, пока плотность тока не- достигнет предельных значений порядка 1.0 + 2.0 A/cm¿. Как показали дальнейшие исследования ПАХ совместно с наблюдением элчктролюми-н. снятии, этот диапазон токов соотввтструот вк прению. в процессе

переноса всей площади р-н- перехода. В отличие от ранее рассмотренных "аморфных" р- I -п туннельный характер ВАХ микрокристаллических р- 1-п не связан с контактными процессами, а обусловлен туннельным пробоем внутренних барьеров - аморфных прослоек между кристаллитами.

На сильнотоковом участке вторичных ВАХ была обнаружена относительно яркая электролюминосцения. Пик электролюминесценции ЭЛ имеет позицию 1.95 эВ, что почти точно соответствует оптической ширине .запрещенной зоны пс -!>1:Н и соответствует пику фотолюминесценции ФЛ . Для электролюминесценции характерно высокоэнергетическое крыло, простирающееся до 2.9 эВ.

Соответствие пиков электролюминесценции и фотолюминесценции ширине зоны Бд дает основания сделать вывод о межзонном характере излучательноЗ рекомбинация в пс - $<. :Н. Исследования'кинетики электролюминесценции (Т<1*10-^ сек), люкс-амдерных характеристик и температурной зависимости электролюминесценции подтверждают межзонный характер излучательных переходов.

Данные по оптическому поглощению пс - :Н пленок - эффект уширения зазора и данные по специфическим особенностям фото- и электролюминесценцииэффект излучателькой рекомбинации краевого типа представляется необходимым объяснать в рамках единой модели. Выдвинуто предположение, которое в последующем анализе всесторонне анализируется и подтверждается, что особенности оптических и люминесцентных свойств, кстати,тах же,как и особенности вторичных туннельных ВАХ р - I - п на пс - ¿1:Н,связаны с двухфазной структурой пленок: (пс + а) фазы.

¡¿ели размер кристаллитов укладывается в наноразмерную шкалу, следует учитывать эффекты размерного.квантования для носителей тока в кристаллитах. Известное из экспериментов с аморфными сверхрешеткама высокое качество границ раздела а - $1:Н/с более, чем оправдывает привлечение этой "идеалогии". При этом нанокристаллиты формируют квантовые трехмерные потенциальные области, для электронов и дырок, или в современной терминологии "квантовые точки". Электронные состояния в таких квантовых точках подняты по отношению к дну ямы, и это обстоятельство является физической основой для эффекта уширения оптического зазора, который в системе квантовых точек определяется переходами в пределах каждой данной ямы. Эти же переходы являются доминирую-

«ими и в явлояиях фото- и электролюминесценции. Следует, однако, учитывать, что квантовые точки конкретно в рассматриваемых средах (пс + а) не являются полностью изолированными. Аморфная матрица вносит существенные коррективы в формирование энергетического спектра квантовых точек. В частности, в силу конечной ширины зоны аморфной матрицы имэгт место ограничение высоты барььров квантовых точек, что приводит к "подтягиванию" основного состояния в квантовых точках к краю зазора аморфной матрицы. Таким образом, аморфной матрицы в конечном счете оказывается доминирующим фактором в рассматриваемой модели. Следует, однако, заметить, что 2д аморфной матрицы в пс - Si:Н пленках оказывается достаточно большой и достигает 2.0 + 2.1 эВ в следствие перенасыщения водородом. Вся совокупность выполненных оценок, данных собственных исследований и данных,имеющихся в литературе,подтверждают . вышепредлоаенную энергетическую схему для нанокристалляческих гидрогенизированных пленок кремния.

В последнем разделе четвертой главы излагаются исследования по фотовольтаическим свойствам р - L- п-структур на основе а - (SL- с) :Н и /¿с - St:H. Впервые изучено изменение фото-вольтаических параметров по мере увеличения содержания углерода в системе a -SiwxCx:H. Показано, что напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и фактор формы деградируют с ростом содержания углерода. Тем не менее,р - i- п с I- слоем на основе а - Si.чр Сы> еще могут удовлетворительно работать в 4отоваль-таическом режиме в качестве фотоприемника. Световые ВАХ аппроксимированы в рамках модели с дрейфовым режимом собирания. В результате определены значения удельного сдвига - фактора JU.X в системе сплавов а - Si(_x Сх:Н, f составляет 10~9 см2В-1 для X = 0.3 и 10*11 см^В"1 для X — 0.6. Что касается ^с - St:H пленок, их фотовольтаичеокие параметры могут быть оптимизированы до высоких значений, характерных для лучших образцов я -Sl:H. В силу большей ширины зоны р-о - Si. :Н пленки могут быть использованы как широковонная ступень каскадных тонкопленочных фотопрообраз ователей.

- IV -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена и выполнена оригинальная технологическая установка для разложения силана, метана и силан-метановых и салан-водородных смесей в плазме тлеющего высокочастотного разряда, стабилизированного магнитным полем.

2. Разработана и использована методика диагностики ионных потоков на подложку, что позволило объективно выбрать оптимальные рекимы рортового процесса. Сам ростоеый. процесс контролировался лазерным интерферометром.

3. Получены аморфный кремний и аморфные сплавы в системе $сн<Сх:Н с изменением I от 0.1 до 0.9. При этом для получения

обогащенных углеродом составов была применена техника ультра-высокочастотного разряда. Показано, что ширина оптической запрещенной зоны в системе (51- С):Н монотонно растет с увеличением содержания углерода.

4. Исследованы фотолшинесцентные свойства а - 5м-хСх:Н материалов. Установлено, что с ростом X фотолюминесценция, измеренная при комнатной температуре, разгорается.

5. Созданы р - I - п-структуры на а - Ы(.хСх:Н с X. до 0.6. Для этого била изучена способность а -51|-хСх:Н сплавов к легированию примесями бора и фосфора..Показано, что наиболее эффективное легирование удается-осуществлять при значениях X до 0.3. Изучены янкектирующие свойства структур и выполнен анализ специфики механизма токопереноса в р -1 - п-структурах на основе широкозонных материалов.

6. Разработаны р -I - п-структуры с туннельным диэлектриком типа р-Д-1-п или р-Д-1-Д-п, чтобы повысить энергию инЕектир'^ан-ных в полупроводник носителей. Для описания инжекции в таких структурах предложен механизм полевого туннелирования по Фаулеру-Нордгейму.

7. Обнаружена электролюминесценция из.р-с-пир-Д - 1-Д-п при.пороговых токах 100-400 мА/см*% Пик электролюминесценции расположен в видимом диапазоне Л = 620 нм.

8. Изучены изменения фотовольтаическшс свойств в системе а - 5м-хСх:Н при значениях X до С.6. Показано, что удельный сдвиг - фактор уцд- — падает с ростом X, однако, работа.фотоэлементов состава 31<|0СЕО:Н в фотовольтаическом режиме остается

еще возможной.

9. Отдельный цикл работ посвящен разработке технологий получения тонких пленок микрокристаллического гидрогенизированного кремния /гс — :Н. Показано, что метод водородного разбавления и двухгодового возбуждения плазмы (13.56 + 75) МГц позволяют в зависимости от режимов получить широкий набор структурных модификаций /хо - £1:Н от гомогенной структуры малых структурных ¡кластеров с размером < 50 А, смешанных (а + /¿с) фаз до плотной упаковки микрокристаллитов с дисперсией по размеру от 50 до 300 А.

10. Из оптических измерений показано, что ширина запрещенной зоны в ^с - :Н может достигать значений 2.0 эВ. Из данных по фотолюминесценции следует, что излучательные переходы носят межзонный характер. Эти особенности принципиально отличают

¡лс - £1:11 от аморфной фазы а -51:Н.

И. Созданы р - С - п-структуры на основе /¿с - 51 :Н. Показано, что при напряжении смешения выше некоторого критического, ВАХ таких структур испытывают переброс в область больших токов и меньших напряжений. Новая, сильнотоковая ветвь ВАХ устойчива во времени и описывается в рамках модели туннельных токов Фау-лера-Нордгейма.

.12. Обнаружена инаекционная электролюминесценция в области сильнотоковой вторичной . ВАХ. Пик электролюминесценции совпадает с пиком фотолюминесценции я соответствует энергии мекзон-ных переходов. Исследования кинетики электролюминесценции приводят к временам релаксации ¿10 не., что подтверждает межзонный характер излучателыщх переходов. Для электролюминесценции характерно высокоэнергетическое крыло, простирающееся до энергии 2.9 эВ.

13. Механизм уширения зоны в/¿с - 51;Н обсуждается с привлечением двух механизмов: первый ассоциируется с ролью связанного в материале водорода, а второй базируется на кванторазмерном эффекте, обусловленном малым размером структурных кластеров

50 к.

14. Краевой характер фото- и электролюминесценции и другие принципиальные черты излучательной р.комбинации связываются со спецификой излучательных переходов в яанокластерном кремнии.

1Ь. Икучнни фотовольтяические свойства р - ¿- п-структур но

основе fj-o -5t:H и показано, что на основе структур с гомогенным распределением малых кластеров можно получить высокие фото-вольтаические параметры, что открывает возможность применения

с -St :Н слоев в качестве широкозонной ступени каскадных тонкопленочных фотопреобразователей на вморфном кремнии.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

. 1. Андреев A.A., Мавлянов Р., Ханов Д., Чарикулев B.C. Инжек-ционные p-i-n светодиоды на широкозонных аморфных гидрогенизиро-ванных сплавах кремний-углерод//Письма в НТО.1993.Т.19,вып.11. С.32-37,

2. Андреев A.A., Мавлянов Р., Ханов Д., Чарикулев Б.С. О туннельном механизме инжекции и тока переноса в рД1Дп свето-излучащих структурах на основе аморфных гидрогенизированных сплавах//Письма в ЕТФ.1993.Т.19,вып.11.С.38-43.

3- Д.А. Andreev, A-V/ndrianov, ß>Y-Awrbcakh, R. Mavijahov,

S. &,AMaber<^nova,M.Al.Brecht,H.P. Strim«. Structure and

Optical properties. o{ hydrogena-ied Silicon-ftJiris prepared 84 ptasma ^hhahcod che-TtiUai Vapour ¡^position. Международная ксн<р*ренц,и* no гмликритмигкким полчпроЬрднишш., Polls«" (Сентябрь9-й). бап^поДаРу.'^р.«,

4. Андреев A.A., Андрианов А.Б., Авербух Б.Я., Мавлянов Р. Инжеквдонная ЭД p-i-ш-тонкошшночных структур на основе гидро-геназированного кремния, полученного в условиях сверхсильного разбавления сйлана водородом//ФГТ.199б.Т.38,выи.1.е.19-29.

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 168, тир. 100, уч.-изд. л. 0,9; 20/Щ-1996 г. Бесплатно