Получение аморфных и микрокристаллических тонкопленочных материалов 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

На правах рукописи УДК 621.315.592

МАШЯНОВ Равшан Каршибаевич

ПОЛУЧЕНИЕ АМОРФНЫХ И МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТОНКО-ПШОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ а -Бс^^-Н, /¿с - ¿иН И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛЕНОК Й ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР

па их основа

РV 5 СД 2 2 ДПР 1998

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертанта на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

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

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор АВДРЕЕВ A.A.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор КЕСАМАЕМ Ф.П.,

доктор физико-математических наук ЦЭЩ1Я к.д.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный

университет.

Защита состоится __1996 г. в ¿Г^часов

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

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

Автореферат рязослан " "О^Л/рЯ^Я 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

. " у ^ »*—*

- г;с.куликов

- 3 -

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Аморфные гидрогеннзировзнкые полупроводники в поехиднее десятилетие прочно вошли в арсенал материалов современной электронной техники. Наиболее утвердившиеся позиции эти материалы завоевали в индустрии прямого фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и в оптоэлектронике в качестве транзисторных матриц упраьления кидко-кристаллическимя трехцветными плоскими ТВ экранами. Известен и ряд других важнейших приложений, таких как фотсеенсоры" видимого диапазона, линейные считывающие фоточувствительные регистры на основе диодов Шоттки и

. др.. Базовым объектом класса аморфных гидрогенизированных полупроводников язляется аморфный кремний а - $1:Н. Его спутниками 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 ( уУс) слоям, а также смешанным (а-ь/ю) фазам. Слои у.с и (а+ /¿с) в микроструктурном плане состоят из сверхмалых до (3.00 А) кристаллических образований, плотно увязанных аморфными прослойками, при этом смешанные фазы характеризуются меньшей суммарной плотностью кристаллов в аморфной матрице. Экспериментальные исследования оптоэлектронных свойств таких материалов показали ряд интересных свойств, так,например, рост ширины запрещенной зоны для определенных микроструктурнкх модификаций и высокую эффекткность легирования.

Материалы - спутники аморфного кремния, в том числе и микрокристаллические, из учены в значительно меньшей степени, чем а — йI:Н. Не решены и многие проблемы их технологии. С другой стороны, эти материалы чрезвычайно важны и как самостоятельные с отличной шириной зоны, так и как гет-еропары к аморфному кремнию. В света сказанного годача исследования этих материалов представляется актуал* ой. В настоящей диссертации внимание сосредоточено на иирокозониых материалах: это система аморфных сплавов а-511_хСх:Н и /"-с-£1:Н.

Цель работы. Целью работы является разработка технологии получения тонкопленочных материалов с - $11_хС;с:Н при х=Ю+1.0 и А*-С -51 :Н, исследование их оптических и фотоэлектрических свойст. создание активных р - I - п структур на основе этих матпридчов.

исследование механизма токсперекоса в структурах и применений в оптоэлектронике.

Объект исследования. Объектом исследования являются аморфные гидрогенизированные сплаЕЫ а в диапазоне изменения

X от 0 до 1.0 и микрокристаллические фазы /*-с - £1 :Н. Объектами исследования являются активные приборные структуры на основе перечисленных материалов - р - I - п-структуры, инжекционные светсдиоды и фотопреобразоаэтели.на основе этих структур.

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

1. Разработка технологии получения аморфных сплавов а -£ч-хО<:Н. Эта задача включает оптимизацию многопараметрического технологического процесса с целью достижения приемлемых оптоздектроншсс характеристик материалов.

2. Разработка технологии получения микрокристаллических

дс - :Н. Эта технология предусматривает применение саециаль-ного метода сверхсильного разбаЕления реактивных газов водородом, Плазкохимический процесс при этом приобретает новые черты.

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

4. Создание приборных структур. Имеются в виду структуры со встроенным потенциалом,'наличие которого обеспечивает инфекционные и фотовольтаические свойства. Простейшие структуры со встроенный потенциалом - это структуры типа р - I - и, где р - а - п-легировашше мои с дырочной и электронной проводимостью. Следовательно, необходимо отработать технологию легирования в р- и п-тип.

5. Исследование инжекционнык сво?:тв структур и анализ механизма переноса тока в р- I -п-перезсодах на базе а- и /¿с- материалов.

6. Исследование сптоэлектронннх электролюишнесцентных и фотовольтаических свойств р- 1-ц-структур.

Все вышеперечисленные позиции, составляющие основное содержание диссертации, являются новыайи, практически почти не изученным направлениями в области аморфных полупроводников это обс-

тоятельство и определяет новизну данной работы-

Основные результата я практическая ценность работы.

1. Разработан метод 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 кодаонентов с различными коэффициентами диссоциации смсси силан-.летан, силан-водород , что лозволияо получить непрерывный ряд твердых растворов в системе гидрогенизиро-ванный аморфный крайний - гидрогенизированный аморфный углерод.

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

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

а - 8ц-хСх:Н, ^с - :Н.

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

Показано, что оптическая ширина зоны в ^с - :Н по сравнении с в а - У :Н увеличивается до 2,0 эВ. Спектр осн:вного 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 водорода менее 5$.позволяет получать пленки р- и и- типа проводимости, если в качестве реактивной смеси используются композиции 2% + 9£$[(Ь1 ^ (СН4)у] и 1% РНд + 9 $$[(51 Н^.у+ССН^у] , соответственно. При атом в силу того, что эффективность легирования падает с ростом у , продельные 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 - 5(.|.ХС*:Н со значением X - 0 - 0,6 и р -£. -п с I -слоем на

оонове /и с - 5 о :Н.

6. Для сплавог системы а - &1|-*Сх :Н разработаны структуры о горячими носителями тока типа рДсп и рДЩп, где Д - туннельный ди8лв1.;рик на основа а - 5и.05 Со.н :Н.

7. Изучены инкекциошше характеристики р - I - п-структур на оонове аморфных и микрокристаллических слоев. И в первой и во втором случае токоперенос описывается туннельным механизмом, однако физическая 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 туннели-рования скорее связан с прослойками аморфной фазы мекду микрокристаллами.

8. Для р -1 - п структур на основе широкозонных аморфных оплевов обнаружен светодиодный эффект. Излучение в видимой об-лаотя в прямом смещении наблюдается при пороговых токах порядка 100 мА/онг.

9. Обнаружен эффект ннжекционной электролюминесценции 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|-хСх :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 свойства®, представлявши.«и интерес для приборов видимого диапазона: фотоприамников и.аввтоляолов. .

Научные положения, выносимые на защиту.

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

аения смеси реактивных газов, например, силана и метана или смеси с шин-вод ород, различающихся коэффициентом диссоциации. Метод предполагает одновременное использование частот возбуждения 13.56 МГц и 70 МГц. Метод реализован по отношению к аморфным сплавам системы а - Б1|-хСу:Н и микрокристаллическому кремнию /*.с - 51 :Н.

2. Экспериментальное исследование и оптимизация технологических режимов метода водородного разбавления для получения микрокристаллических слоев /¿с - 51:Н.

3. Результаты по исследованию оптических и фотолюминесцентных свойств широкозонных аморфных сплавов а - Сд:Н и микрокристаллических материалов /¿с - £>1 :Н. Главные из них:

1)монотонный рост ширины зоны в аморфных сплавах с ростом содержания углерода, 2) увеличение Еа в гидрогенизированном кремнии при переходе от аморфной модификации к микрокристаллической, 3)мекзонннй характер переходов в микрокристаллическом кремнии.

-4. Экспериментальное определение условий легирования оплавов Эм-хСугН при X = 0 + 0,6 в условиях водородного разбавления и создание р - I- п-структур как на основе аморфных, так и микрокристаллических собственных слоев этих сплавов.

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

Для р -I - п-структур с /и.с - I- слоем туннельный характер 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 -и -структурах на а - 51 СХ:Ь.

7. Обнаружение инжекционной электролюминесценции в р -I - п-структурах на основе микрокрис-тллических слоев /¿о - Ы :Н. Подтверждение межзонного характера наблюдаемой электролюминесценции "голубой сдвиг" межзонного излучения связан с увмрениеч зоны в микрокристаллической фазе гидрогенизированного кремния как по отношению к вморфному, так и кристаллическому кремнию.

8. Экспериментальное наблюдение и описание закономерностей ия-

менения фотовольтаического эффекта в р - I - Е-структурах на а - Sli-x^x.'-H и у"С - Si :Н. Дрейфовый механизм собирания неравновесных носителей в фотодиодных структурах на а - Si-i-x С*:Н при X i 0,6.

Дпроб?тая работы. Основные результаты работы триады докладывались на семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН и на Международной конференции со полнкристаллическим полупроводникам Р<?е.уse » GaK'jQ-rio.Iiaiy, 1995 г. .

Публикации. До результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы, список которых праведен 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.

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во вводной главе 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 посвящена изложению основных принципов технологии аморфных гидрогенизировашшх полупроводников, конкретно сплавов jлетами кремний-углерод, микрокристаллических смешанных фаз и описанию экспериментальной технологической методики.

Ь первом разделе главы дается краткое обоснование метода получения, аморфных гидрогенизированных пленок в процессе плазменного разложения реакционных газов силана или метана, рассматриваются процессы, происходящие в газовой фазе, т.е. в области . . плазменного разряда, и.гетерогенные процессы, протекающие на граница раздела газовая 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, гак 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 я метана, необходимой для приготовления аморфных пленок системы кремний-углерод, так и со смесью силана и водорода, используемой для роста /и.о - пленок. Показывается, что в этом случае особенно трудно для системы силан-метан избежать полимеризации в газовой фазе, поскольку диссоциация метана требует повышенного энорговклада 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 плазмохимическях реакторов. Рассмотрены реакторы типа плоский конд^чсатор, с третьим электродом-сеткой, магнетронвый и с примегокием повышенной частоты вплоть до циклотронной. Анализируются специфика работы этих конструкций, их достоинства и - недостатки.

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

1. Важнейшими из них являются расширенный диапазон рабочих да&-лений и потоков реакционных газов и обеспечение реятгч устойчивого горения плазмы во всем диапазоне давлений.

2. Вариация знерговклада 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 различными потенциалам ионизации.

4. Применение двух систем вводе реакционных газов в камору.

5. Обеспечение плавающего потенциала на подложке или рпгулируемо-го внешним смешением.

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

Установка сконструирована в соответствии с вншпс4«рмулиров8н-ными требованиями. Для обеспечения стабильности разряда при малых-

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

Лля 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 трехэлектродный анализатор потока ионов на подложку. С помощью такого анализатора выполнены измерения функции распределения ионов по энергии в широком диапазоне рабочих давлений в камере. На основе этих измерений и сделан первичный выбор режимов 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 роста пленки и оценивать толщину пленки сп 5¡4у . В случае роста многослойных структур эти данные могли быть получены для каждого последующего слоя независимо.

Третья глава посвящена описания технологических режимов получения пленок а - :Н, /¿с - 51 :Н, а — — Ф :Н, р- и и-, типа легированных слоев этих материалов и результатам по исследованию оптических, фотоэлектрических и фотолюминесцентных свойств пленок.

Глава делится на два подраздела, посвященные, соответственно, а - 51 :Н,/ас - 51 :Н и а - (51- с) :Н. Каждый из объектов исследования требует индивидуальной обработки технологических режимов. Опыт показал, что различие режимов весьма существенно, ¿ля роста • а - Ы:Н требуется режим с минимальным энерговкладом в плазму. Реактор работает вокресгности минимальной точки кривой Пашена. Для получения /ас - 51 :Н и сплавов а - 1-х Сх-"Н, обогащенных углеродом (уже необходимо применять двухчаототное возбуждение. При »том растет «лектронная температура в плазме и.как результат,происходит более интенсивная диссоциация молекул той компоненты реакционной смьси, которая обладает большим порогом диссоциации. В

- 11 -

рассматриваемом случае это водород или метан. В результате в случае роста /¿с - Si. :Н пленок удается войти в режим "химического" водородного травления растущей пленки, в случае же а -Sii-дС^Н, т.е. двухкомпонентного сплава,удается получить примерное соответствие состава пленки и состава газовой смеси, что представляется одним из важнейлих технологических достижений. В тексте диссертации приводятся результаты по технологическим режимам для пленок /¿с - S<- :В и. a -(Sí-C):Н.

1/шкро1фисталличьский характер Sl:H пленок, полученных в условиях водородного травления,подтвержден прямыми наблюдениями микроструктуры методом.электронной микроскопии сверхвысокого разрешения. Эти наследования выполнены в лаборатории макрохарак-териззции материалов в Эрлангском университете под руководством проф. Г.П.Штрунка. Эдектроккомикроскопйческие снимки с наивысшш разрешением,достигающим 2.7 А убедительно демонстрируют, что ас - Si :Н пленки представляют собой систем микрокрасталлов, 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 .сверхмчлкодис-персных структур, т.е. с размером кристаллов 10 + 40 А (т.е. наноструктур) до истинно микрополикристаллических с размером кристаллитов 100 - 300 А. При этом объем аморфной фазы может в лучшем случае составлять 30 - 50 %.

Измерения собственного оптического поглощения в пленках ¿с - Si:H показывают, что пленки с размером кристаллитов до 50 к, с.е. в пределах наноразмерной шкалы, показывают уширениэ оптического зазора, определенного по соотношению Тауца. Если для еморф*-шх аленок £д составляет 1.7 эВ, то для nc - St:H оптический )азор составляет 2.0 + 2.\ эВ. Оптический зазор, определенный по гровню поглощения oí = 104 см-1, Е? для а - Se :Н равен ..95 эВ, для nc -St:H - 2.34 эВ. Последняя величина близка к начению для с -St , равному 2.25 эВ. Наблюдение уширония птического зазора для пс - SL :Н - главный результат этого раз-ела работы. г

Измерения фотолгшнесценшш в nc - Si :Н показывают, что меха-изм излучат^льной рекомбинации в этом материал« нринцлпип';ь.чо

отличается от известного для аморфного кремния. Положение пика 1.9 эВ , слабая температурная зависимость и быстрая кинетика затухания < 5-Ю-® с. свидетельствуют о мекзонном характере излу^тельных переходов.

В системе а - исследовано поведение оптического

зазора Тауца и зазора Ео.ц в зависимости от X. Показано, что ширина зоны, определенная по значению ^ - 1СГ4 см-1, монотонно растет по оггрп увеличения содержания углерода в сплаве, тогда как Е^ по Тоуцу испытывает насыщение при Х>0.8. В цело« уширение зазора при обогащении сплава углеродом может достигать в пределе X я 1 3.1 •♦■ 3.() эВ в зависимости от технологического режима.

Измерения (К'толюшнесценции в системе сплавов а -БихС^Н показывают, что сплавы системы обладают фотолюминесценцией, характеризующейся значительным стоксовскюя 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 - :Н. Этот . факт делает сплавы а -. $ь-С:Н перспективными для приложений в тонкопленочшх светодиодах.

Третья глаза г;кже содержит раздел, посвященный получению легированных слоев а - 51 :Н и а - &м-хСх:Н р- и п- типа. Эффективность легирования удается погасить,применив методику водородного разбавления. Показано, что эффект легирования в системе а - Сх:Н практически ограничен составами с 1 $ 0.3. ■ Четвертая глава посвящена активным приборным структурам типа р - I - п на основе аморфных и микрокристаллических пленок Бс :Н и а - С„:Н,. изучению механизма токопереноса через р - I - п-переход и определению основных параметров инфекционной электролюминесценции и фотоводьтаического эффекта.

В первом разделе главы рассмотрены более традиционные в аспекте физики протекающих процессов р - I - п-пероходы на основе системы а - 5;..ХСХ:Н. Приборные структуры были получены последовательны« нанесением р, I и п-слоев на стеклянную или кварцевую подложку с предварительно нанесенным токопроводящим окислом

Зп^пу Qz с поверхностным сопротивлением 40 Ом/см2. Поверх п- слоя наносился металлический AL контакт магнетронным распылением и площадью 1-10 мм^. Толщины р, L ид слоев составляли, соответственно, 8 - 10 , 30 - 70 , 25 км.

Измерения темповых ВАХ показали, что инжектирующие свойства р/i. - и i/a- 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 - Sl:H п^1.5 + 1.7,. т.е. укладывается в ■ пределы 1 + 2, допускаемые теорией термодиффузионного переноса в р - i - п-переходе. Для X = 0.3 фактор качества "п " достигает значений 4 * 5 и для.Х = 0.6 15-20. Более того, с ростом X аппроксимация экспериментальной ВАХ эксаонентой становится все более приближенной. Сталь большие значения h и отклонение от экспоненциальной зависимости могут быть объяснены сменой механизма инжекции в p/i ..и п/l переходах о термодиффузионного на термотуннельный, что и.не должно вызывать больших сомнений, т.к., во-первых, по мере увеличения ширины зоны Ед I - слоя на p/i.. и i/n интерфейсах формируются барьеры, поскольку для р, п областей выбран состав с X = 0.3, т.е. с фиксированной и относительно меньшей Е3, во-вторых, с ростом X, т.е. с увеличением Ед , растет плотность локализованных состояний, что повышает туннельную прозрачность.возникающего барьера. В случае инжекции путем термотуннелировзния ., где - £*(><рдри .Ws,>10* см"?, и учете многоступенчатого характера тункелировашгя мокет достигать нескольких tcT. Таким образом, ВАХ для составов .с. относительно. малым X получают естественна объяснение...Для составов с Х5= 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 удовлетворителько описаны в координатах Фаулера-Нордгейма

3 ~V2exp (- const-^- . Действительно, в ходе работы при попытке реализовать задачу повышения электронной температуры инжектируе • мых в I - слой неосновных носителей в р - I -п-структуру были введены туннельно тонкие диэлектрические прослойки в интерфейсах

рД и i/o.. Эти искусственно введенные барьеры приведи к ВАХ, достаточно точно следующим вышеприведенному соотношению, и, таким образом, предложенный механизм токопереноса в р - I - п на сплавах a - {Si - С):Н, базирующийся на учете туннельных токов, получает дальнейшее подтверждение.

В следующем подразделе главы излагаются результаты во электролюминесценции из р- I - п-структур. Как из р - L - п-структур, так и из структур рЦ1п, рДШп, где Д - туннельный диэлектрик с I- слоем на основе состава Co^i^H, была обнаружена электролюминесценция с пиком излучения 620 нм, достаточно хорошо видимая невооруженным глазом как бело-желтое свечение. Как показали измерения спектра излучения, бьлый цвет свечения обусловлен большой шириной спектра излучения эЕ на полувысоте) и наличием протяженных хвостов. Пороговая плотность тока, соответствующая видимому зажиганию светодиода,составляла 400 ик/а? для р - i - n-структуры и 100 мА/си2 для структуры рдЦш. Эти значения примерно на 3 порядка величины нижа, чем для светодиодов на кристаллическом карбиде кремния, однако, следует отметить, что и абсолютная светимость, отнесенная к единиц« площади излучающей поверхности,также ниже и примерно на эту «е величину. В заключение раздела обсуждаются возможные механизмы возбуждения излуча-телышх переходов: м-жзоиная ударная ионизация,' приводящая к возбуждению экситоноподобних центров, и туннельная излучательная рекомбинация свободных электронов и дырок, инжектируемых в i- слой n/í- и рД-переходами.

Во второ.л раздел^, обсуждатся особый свойства р - i. - п-структур на основе ne - Si:H соОственных слоев. Изучены телновыа J3AX этих структур и обнаружено, что при некоторых критических эначэ-ниях напряжения см щения эти структуры испытывают "прокол", при этом и\1' ст м^сто переброс ветви ВАХ е область больших токов и меньших напряжений. Эти вторичные ветви ВАХ устойчивы и достаточно хорошо описываются туннельными токами йаулера-Нордгейма. Исследовании показало, что с ростом мощности токовой накачки при неизменном характере процесса наблюдается смещение вторичной ВАХ в область больших токов до тех пор,пока плотность тока не достиг-Пет продельных значений порядка 1.0 + 2.0 А/см'^. Как показали днпьнейлие исследования ВАХ совместно с наблюдением электродами-и. силиции, этот диапазон токов соотввтотрует онирчонию в процессе

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

На силькотоковом'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 -£с.:Н и соответствует пику фотолюминесценции ФЛ . Для электролюминесценции характерно высокоэнергетическое крыло, простирающееся до 2.9 эВ.

Соответствие пиков электролюминесценции и фотолюминесценции ширине зоны Ед дает основания сделать вывод о межзонном характере излучательной рекомбинации в пс - :Н. Исследования'кинетики электролюминесценции (Т<1.10~8 сек), лкжс-ампарных характеристик и температурной зависимости электролюминесценции под-тверхдают меязонкый характер излучательных переходов.

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

Если размер кристаллитов укладывается в наноразмерную шкалу, следует учитывать эффекты размерного.квантования для носителей тока в кристаллитах. Известное из экспериментов с аморфными сверхрешетками высокое качество границ раздела а - 51 :Н/с более, чем оправдывает привлечение этой "идеалогии". При этом нанокристашшты 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-

щими и в явлениях 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 барьеров 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 Ед аморфной матрицы в пс - Б1: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 . вышепредлеженную энергетическую схему для нанокристаллических гидрогенизированных пленок кремния.

В последнем раздела четвертой главы излагаются исследования по фотовольтаическим свойствам р -1 - п-структур на основе а - С) :Н и /¿с - $с:Н. Впервые изучено изменение фото-вольтаичесхих параметров по мере увеличения содержания углерода в системе а - 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 - Бсщ) С(,о еще могут удовлетворительно работать в фотоволь-таическом режиме в качестве фотоприешшка. Световые ВАХ аппроксимированы в рамках модели с дрейфовым режимом собирания. В результате определены значения удельного сдвига - фактора /¿Т в системе сплавов а -■&+.;< СХ:Н, "С составляет 10~9 см2В~1 для X = 0.3 и 10"11 см^-1 для X = 0.6. Что касается ^с - :Н пленок, их фотовольтаические параметры могут быть оптимизированы до высоких значений, характерных для лучших образцов я -51 :Н. В силу большей ширины зоны /ио - :Н пленки могут быть использованы как широкозонная ступень каскадных тонкопленочных фотопреобразователей.

- 17 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

2. Разработана ж использована методика диагностики ионных потоков на подлояку, что позволило объективно выбрать оптимальные режимы ростового процесса. Сам ростовыЗ. процесс контролировался лазерным интерферометром.

3. Получены аморфный кремний и аморфные сплавы в системе SihX^H о изменением X 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 (Si- С) :Н монотонно растет с увеличением содержания углерода. ;

4. Исследованы фотолюминесцентные свойства а - Sii-xCx:H материалов. Установлено, что с ростом X фотолюминесценция, измеренная при комнатной температуре, разгорается.

5. Созданы р - L - п-структуры на а - S"u-;<Cx:H с X до 0.6. Для этого была изучена способность а -Sli-XCX:H сплавов к легированию примесями бора и фосфора. Показано, что наиболее эффективное легирование удается - осуществлять при значениях X до 0.3. Изучены инжектирующие свойства структур и выполнен анализ специфики механизма токопервкоса в р -i - п-структурах на основе широнозонных материалов.

6. Разработаны р -i- п-структуры с туннельным диэлектриком типа р-Д-l-n или р-Д-1-Д-п, чтобы повысить энергию инкектир'данных в полупроводник носителей. Для описания инхекции в таких структурах предложен механизм полевого туннелирования по Фаулеру-Нордгейму.

7. Обнаружена электролюминесценция из.р-1-пир-Д- i-Д-п при.пороговых токах 100-400 мА/cs^i Пик электролюминесценции расположен в видимом диапазоне Я= 620 нм.

8. Изучены изменения фотовольтаических свойств в системе а - Si|-xCy:H при значениях X до С.6. Показано, что удельный сдвиг - фактор jux — падает с ростом X, однако, работа.фотоэлементов состава Si40C£0 :Н в фотовольтаическом режиме остается

еще возможной.

9. Отдельный цикл работ посвящен разработка технологий получения тоннах пленок микрокристаллического гидрогенизированного кремния /¿с -51 :Н. Показано, что метод водородного разбавления и двухгодового возбуждения плазмы (13.56 + 75) МГц позволяет в зависимости от рекимов получить широкий набор структурных модификаций уме — 51 :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 уис - :Н может достигать значений 2.0 эВ. Из данных по фотолюминесценции следует, что излучательные переходы носят межзонный характер. Эти особенности принципиально отличают

/¿с - &1:Н от аморфной фазы а - 51 :Н.

11. Созданы р - I- в-структуры на основе /¿с -51 :Н. Показано, что при напряжении смещения вше 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 инжекционная 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 излучательных переходов. Для электролюминесценции характерно высокоэнергетическое крыло, простирающееся до энергии 2.9 эВ.

13. Механизм уширения зоны в /ис - :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 ош'цификой излучательных переходов в нанокластерном кремнии.

Ичучшш фотовольтяические свойства р - I- п-структур нв

основе fj-c - 51 :Н и показано, что на основе структур с гомогенным распределением малых кластеров можно получить высокие фото-вольтаические параметры, что открывает возможность применения fia -St ;Н слоев в качестве широкозонной ступени каскадных тонкопленочных фотопреобразователей на аморфном кремнии.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

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

2. Андреев A.A., Мавлянов Р., Ханов Д., Чарикулзв B.C. О туннельном механизме ииаекции и тока переноса в цШДп свето-излучающих структурах на основе аморфных гидрогевизированных сшшвах//Оисьма в 5ТФ.1993.Т.19,вып.11.С.38-43.

3- Л-А-ДЫге^, A.V./4ndrianov, Averboukh,R.Mavfjanov,

S. &,AWabei-genova,M.AlBrecht,H.P. Strung. Structure and.

Optical proptriUs hudroger.a-Ud SlRcoh'-fUms prt'p&r^d Ц plostna (Mlhanced che-Tfitcat Vüpcur deposition. Международная ксн^рснци* no роликристамигкким аочароб.о^имм,,Poüys.?" (СтфМ). Gargano,Ib?ij.1S3S,f.1l.

4. Андреев A.A., Андрианов А.Б., Авербух Б.Я., Мавлянов Р. Инжекционная 31 p-i-п-тонкопленочных структур на основе гидро-гэнизированного кремния, полученного в условиях сверхсильного разбавления сйлана водородом//ФТТ.199б.Т.38,вып.1.С.19-29,

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 168, тир. 100, уч.-изд. л. 0,9; 20/ЦМ996 г. Бесплатно