Свойства пленок и P-I-N фотопреобразовательных структур на основе а-Si:H и его сплавов, полученных в тлеющем разряде постоянного тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Р Г Б ОА

На правах рукописи

УДК 621. 315. 592 621. 383. 52

ТАУАСАРОВ КАМБАР

СВОЙСТВА ПЛЕНОК И Р-1ГЧ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ а-ЭпН И ЕГО СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность: 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой стспепп кандидата физико-математических паук.

АЛМАТЫ, 1997 г.

Работа выполнена в Казахском государственном национальном университете им. Аль-Фараби

Научные руководители : Доктор фнз.-мат. наук, академик HAH PK,

профессор, Такибаев Жабагы Сулейменович

Кандидат физико- математических наук, доцент, Таурбаев Токтар Искатаевич

Официальные оппоненты : Доктор физ.-мат. паук,

Туркебаев Толеу Эдыгенович

Кандидат физико-математических наук, Мухамедшииа Дания Махмудовна

Ведущая организация: Казахский государственный национальный

технический университет

Защита диссертации состоится "29 "декабря_1997г

в 14 часов на заседании - диЬсертационного совета Д60.01.01 и£ Национальном Ядерном Центре Республики Казахстан по адресу 480082 г. Алматы , 82 , Институт Ядерной Физики НЯЦ РК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Ядерпс Физики НЯЦ РК и в библиотеке Казахского государственно! национального университета им. Аль-Фараби

Автореферат разослан '28 " ноября_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

Косяк ю-г-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Актуальность направления исследований связана с тем, что обьектом изучения является аморфный гндрогенизированпый кремний a-Si:H, считающийся весьма перспективным пленочным материалом для фотоэнергетики, полупроводниковой электроники и оптоэлектроники, а также других областей науки и техники. Большой интерес к этому материалу обусловлен не только его ценными для практического применения полупроводниковыми свойствами, но и в связи с научными проблемами, стоящими перед физикой неупорядоченных твердых тел. Поскольку еще не определена природа аморфного состояния, не выявлены полностью многие фундаментальные свойства некристаллических тел, в частности, п a-Si:H.

Известно, что сложно изменить тип проводимости многих аморфных полупроводниковых материалов и данный факт ограничивает их использование. В 1975 г. В.Спир и П.Ле-Комбер показали, что аморфный кремний можно легировать, получая при этом материал как п-, так и р-типа проводимости. После этого открылась возможность его широкого применения. Этими же учеными было обнаружено, что очень важной особенностью рассматриваемого материала является наличие химически связанного водорода. Хотя роль водорода в атомной, электронной структуре и механизм легирования еще не выяснены. Пока не определены причины появления структурной неоднородности в пленках a-Si:H, влияния на электронные свойства нанокрнсталлическнх и микрокристаллических включений в аморфной матрице. Предстоит еще решить вопросы о взаимосвязи между типами дефектов, способами внедрения водорода и процессами рекомбинации. Слабо изучены свойства пленок a-Si:H, получаемых альтернативными методами по отношению к методу ВЧ-разложения силаиосодержащих газовых смесей. И почти отсутствует

информацня по управлению типом проводимости пленок а-БШ, кроме ка легированием фосфином и днбораном, являющимися сильно токсичным соединениями.

Обьект исследования. В качестве объекта исследования были выбраш нелегированные и легированные пленки аморфного гидрогеннзированног кремния, пленки а-БцСих р-типа проводимости, а также р-1-п - структур! на их основе. Пленки аморфных материалов выращивались в тлиоще; разряде постоянного тока на подложках из стекла, кварца пл монокристаллического кремния. Омическими контактами к р-области р-1-структур служили прозрачные проводящие покрытия 1ТО пли ЗпОг, а к I области - пленки из алюминия или серебра.

Целыо работы является исследование и управление электронными структурными свойствами пленок аморфного гидрогеннзированног кремния и его сплавов, полученных в тлеющем разряде постоянного токг а также создание фотопреобразовательных пленочных гетероваризонны: р-1-п-структур п изучение их фотоэлектрических характеристик. Для достижения цели были сформулированы следующие экспсри ментальные задачи:

—разработать методики синтеза газов, необходимых для получен» нелегированных и легированных пленок аморфного гидрогенизированоп кремния ;

— разработать методики осаждения пленок а-8г.Н и а-Б1хС|.х в тлечощег разряде постоянного тока;

— исследовать структурные, электрические п оптические свойства плеио: а-БиН, выращенных в тлеющем разряде постояного тока. Определит влияние параметров осаждения на эти свойства;

—на основе разработанных методик осаждения и результатов исследовант свойств пленок а-Бг.Н и а-51хС1-х, создать и изучить фотопреобразо вательные гомо-и гетероструктуры.

Научная иопизпа данной работы заключается в следующем:

1. впервые обнаружена новая слоистая линейно-организованная структура в пленках a-Si:H (Тл = 200 °С) с расстоянием между слоями 7.5 А°;

2. показано, что пленки a-S¡:H с наличием слоистой структуры имеют малый параметр Урбаха;

З.определепы электрические л оптические параметры нелегироваиного a-Si:H, полученного в тлеющем разряде постоянного тока (ширина запрещенной зоны, плотность оборванных связей, показатель преломления, фотопроводимость и др.);

4. определены путем комплексного исследования с применением оптических методов, метода комбинационнного рассеяния, высокораз-решающеп микроскопии и др. зависимость свойств a-Si:H от его структуры;

5. применен новый способ осаждения , пленок a-Si:H и его сплавов на электрически изолированных подложках в триоднон системе, катод-анод-подложка, с одновременной очисткой газа в плазме тлеющего разряда постоянного тока;

6. синтезированы новые газы (мопосилнлфосфин и моносилилборан) и доказано, что применяя эти газы можно получать пленки a-Si:H n-и р -типа проводимости, и, следовательно, создавать новые приборные структуры;

7. показано, что наличие в моиосплилфосфине и моносилилборане тетраэдрических образований с готовыми Si-P и Si-B связями приводит к высоким значениям проводимости легированных пленок a-Si:H;

8. показано, что введение варнзонного р+-слоя из a-Six Ci-x'.H приводит к снижению рекомбпнациопных потерь в области гетерограницы SixCi-x/a-Si:H и, в результате, к увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра фотопреобразовательпых р+ - i - п+ -

структур.

9. определено влияние изменения толщины р+ и 1 - слоев на фотоэлектрические свойства фотопреобразовательных р+ -1 - п+-структур.

Практическая ценность полученных в данной работе результатов заключается: в возможности использования научных и практических результатов, полученных при синтезировании новых газов, при разработке технологий приготовления легированных и нелегированных пленок аморфного гпдрогеинзировапного кремния и его сплавов, а также р-1-п фотопреобразовательных структур с встроенными варизоннымн слоями, в организациях и предприятиях, занимающихся пленочными материалами, альтернативными источниками энергии, физикой и технологией полупроводников.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружена новая слоистая линейно-организованная структура с расстояниями между слоями 7,5 А0 в пленках аморфного гидрогени-зированного кремния. Данная линейно-организованная структура присутствует наряду с обычными неоднородностямн аморфной сетки типа пор и микрокристаллитов в пленках а-БкН, осажденных в тлеющем разряде постоянного тока при температурах подложки 200 °С.

2. Параметр Урбаха, £0 , в пленках а-Бг.Н, выращенных в тлеющем разряде постоянного тока при температурах подложки 200 °С, составляет 43 мэВ. Низкое значение 60 связано с тем , что аморфная фаза обладает высокой степенью упорядоченности, т.е. малым числом слабых связей, малыми углами н длинами разупорядоченных связей. Оценка параметра структурного упорядочения из оптических измерений согласуется с прямыми исследованиями структуры на электронном мпкроскопе.

3. Методы получения пленок а-БкН с собственным типом проводимости и легированных варизонных слоев а^хО-* в тлеющем разряде постоянного тока. Пленки \ -типа проводимости а- 8пН имеют ЕЁ = 1.78 эВ и плотность локализованных состоянии ^=3»1016 см"3эВ"', а слои а-8'1хС|-х:Н имеют, в зависимости от уровня легирования, 2>10"3 до 4*10"'° (Ом*см)"' и ширину запрещенной зоны Е° = 2,3 - 1,75 зВ, в зависимости от состава разлагаемой смеси Б1Н4+31НзСН2 ■ в тлеющем разряде постоянного тока.

4. Экспериментально показано, что моносилилфосфин и моносплплборан позволяют получать пленки а- БпН соответственно п- типа и р - типа проводимости с широким диапазоном уровня легирования. При этом обеспечивается однородный рост пленок а-БпН за счет готовых тетраэдрнческих конфигурации с и 81-В связями. При высоком уровне легировании моносилплфосфином и моносилилбораном достигнуты максимальные значения темповой проводимости пленок а-ЗкН и+ -

типа бтп= Ю"2( Ом*см)~' и р+- типа бтр=Ю"3 (Ом*см)~' и значения

оптической ширины запрещенной зоны 1,6 и 1,65 эВ, соответственно.

5. Созданы фотопреобразовательные структуры кварц/ 1ТО/ р+-Ь п+ / А1 на основе а-БиН и кварц/ ЗпО:>/р+-а-Б1С:В:Н/- а-51хС(|-х):Н/1- а-БиН / n+-a-Si:P:H/Ag с варизонным а-81хС(|-х):Н слоем с использованием моносилилфосфина и моносилилборана при формировании п+ и р+ -слоев.

Апробация работы. Результаты исследовании, рассмотренные в данной работе были доложены на Международной конференции "Некристаллические полупроводники - 89", Ужгород, 1989 г., на совещании-семинаре "По физике крнокристаллов п диффузионному массопереносу" , Алматы ,

-81989 г., Всесоюзной конференции "Использование нетрадициошшых .источников энергии в народном хозяйстве Казахстана", Шымкент, 1990г., Международной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках", Ашхабад , 1991 г., Международной конференции "Policrystalline Semiconductors" , Италия, 1995 г., Международной конференции "MRS FALL Meeting" Сан- Франциско, 1996 г., Международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов" , Ташкент, 1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, вывода и списка цитируемой литературы. Работа содержит 130 страниц, в том числе 85 страницы основного текста, 45 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 95 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследования, поставлены задачи, сформулированы научные положения представленной к защите работы.

Дерна я глава диссертации посвящена краткому обзору литературы по анализу технологии получения аморфного кремния различными методами и использованию его в электронике. Приведены данные о зависимости структуры и оптоэлектронных свойств пленок a-Si:H, а также легированных пленок р-н п - типа проводимости от основных параметров осаждения: Тп - температуры подложки, Wr - мощности потребляемой газоразрядной плазмой, частоты электрического поля возбуждающего плазму, Р - давлении в реакционной камере, Vr - скорости потока газов, К - концентрации газовых смесей в зависимости от типа

проводимостп. Рассмотрены все виды методов разложения силансодержащих газов в плазме тлеющего разряда, такие как: ВЧ-тлеющнй разряд, химическое осаждение из газовой фазы (СУО) и ионно-реактивное распыление, разложение в тлеющем разряде постоянного тока. Отдельно выделен метод разложения в плазме тлеющего разряда постоянного тока и рассмотрены его различные виды.

Приводятся технологические режимы осаждения собственных и легированных пленок а-БШ и его сплавов , влияние режимов на свойства получаемых материалов. В конце главы на основе анализа литературных данных определены цель и задачи исследования, выбран метод разложения, сделано обоснование.

Во второй главе диссертации описана экспериментальная установка для разложения силансодержащих газовых смесей и физические и технологические принципы изготовления пленок и рч-п-структур на основе аморфного гидрогенизироваиного кремния и его сплавов.

В работе для получения пленок аморфного гидрогенизироваиного кремния использован метод разложения силансодержащих газовых смесей в плазме тлеющего разряда на постоянном токе. Здесь также представлены впервые разработанные методики по синтезу газов: моносилана, моносилилборана, моносилилфосфина, силилэтилена для осаждення легированных и нелегированных пленок а-8г.Н и его сплавов, а также приведено описание установки для получения этих газов. Основными рабочими газами служили газы, синтезированные в лабораторных условиях, а также промышленные газы - 25% 81Н4+75% Не и 5% 3'[Н4 + 95 % Аг, метан (СШ), а для легирования - 1% ВзНб и 1% РНз.

Для изготовления рч-п-структур и омических контактов к ним использовалась технологическая линия, состоящая из 5-ти дискретных

камер установок ВУП-5 с автономной высоковакуумной системой откачки. Каждая камера дополнительно оснащена системой напуска газов со смесителем СНА-2 и регулятором расхода газов РРГ-1. Давление в процессе осаждения контролировалось в системе откачки и в камере разложения вакуумметрами ВИТ-2, ВИТ-3 и ДРГ-1. Температура пленок определялась прибором А565 -003-02 с помощью термопары из хромель-алюмеля, вмонтированной непосредственно в нагревательный элемент подложки.

Каждый слой пленки осаждался в определенной камере, тем самым исключалась возможность загрязнения и попадания нежелательных примесей в растущую пленку, а также сводилось к минимуму взаимодействие остаточных газов между собой. Разработанная конструкция камеры разложения и метод осаждения для получения пленок a-Si: Н и его сплавов позволяют в широком диапазоне варьировать технологическими параметрами процесса роста слоев и структур.

Синтезированные газы и осаждение на их основе пленок аморфного гидрогенизнрованного кремния являются сравнительно безопасными для окружающей среды в силу неустойчивости и сгорания газов на воздухе до нетоксичных SiC>2, Р2О5 и В2Оз.

Достоинство моиоснлилфосфина и мопоснлилборала заключается в том, что они имеют готовые Si-P и Si-B связи и это позволяет увеличить скорость осаждения пленок почти в 3 раза за счет исключения газофазных реакций над подложкой и способствует однородному росту пленок .

В третьей главе диссертации описаны методики и приведены результаты исследований структурных, оптических и фотоэлектрических свойств пленок a-Si:H и его сплавов, а также легированных пленок р- и п-типа проводимости. Приведены микроснимки пленок a-Si:H, осажденных при различных температурах, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Параметры свойств пленок показывают,

что с увеличением кратности отношения фотопроводимости к темповой проводимости бф/бт плотность и размеры структурных образований в образцах уменьшаются.

Общая концентрация водорода Си (от 25 атм. % до 2 атм.%) в пленках а-БнН и оптическая ширина запрещенной зоны Eg (от 1,9эВ до 1,65эВ) с ростом температуры Т„ (от 100°С до 350°С) осаждения уменьшаются. Основное влияние на электрические свойства пленок оказывает способ вхождения водорода в матрицу аморфного кремния, которая является моногндрндной ф-Н). Концентрация водорода Си в пленке и формы его связи с кремнием определялись из ИК-спектров пропускания. На основании результатов измерений методом постоянного фототока находилась плотность локализованных состояний в образцах, величина которой зависела от условий формирования пленок и составляла 4- 1017- 3-1016 см-3эВ-'.

Четвертая глпвп. Пленки а-ЗкН осаждались на кварцевые подложки разложением силана в плазме тлеющего разряда постоянного тока. В процессе осаждения температура подложек поддерживалась постоянной, но для разных процессов она варьировалась от 100 до350°С. Мощность разряда составляла 0,2 Вт/см2 и полное давление реактивных газов-1,6 торр.

Пленки а-БиН исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР) с разрешением 1,65А°. Предварительная подготовка образца для микроскопических исследований заключалась в механическом утончении и последующем локальном удалении в НР/НгО кварцевой подложки до границы со слоем а-БкН, затем химической обработкой толщина аморфной пленки в этом локальном месте доводилась до значения около 20 атомных слоев.

Для пленок а-ЭкН, приготовленных при Тз=120 °С, 200 °С , 350 °С, обнаружено три различных структурных элемента: поры, линейно-

упорядоченные области и микрокристаллиты , включенные в аморфную матрицу. Пленки, осажденные при Ts =120 °С , показывают структуру с порами типичного a-Si:H, осажденного в ВЧ-тлеющем разряде при низких температурах.

Пленки, осажденные при 200°С, содержат, кроме аморфной фазы, новую упорядоченную структуру. Она состоит по ПЭМВР- микроснимкам из параллельных цепочек длиной 5-10 им и с межслойным расстоянием 7,5А°. Пленки, осажденные при 350°С, характеризуются большой концентрацией микрокристаллитов размером 20-30 нм в диаметре в аморфной матрице.В пленках a-Si:H, осажденных при 200 °С наблюдалась необычная упорядоченная структура наряду с порами и микрокристаллитами-известными распространенными дефектами в a-S¡:H.

Для определения степени кристалличности пленок a-Si:H применялся метод комбинационного рассеяния. Показаны характерные результаты измерения комбинационного рассеяния на примере трех различных образцов a-Si:H и образца монокристаллического кремния. В пленках a-Si:H, осажденных при 120 °С, спектр комбинационнного рассеяния является типичным для аморфной фазы и имеет широкий поперечный оптический (ПО) фононовый лик с центром при 475 см-' и со значением ширины на половине максимума (ШПМ) - 55см-1. В образце a-Si:H, приготовленном при температуре 350 °С , наблюдается острый пик ПО-моды с центром при 504,5 см-' и с ШПМ 20 см-'. Спектр комбинационного рассеяния для пленок a-Si:H, приготовленных при температуре 200 °С отличается от спектров образцов, полученных при двух других температурах, ПО- фононовым пиком с центром в 501,3 см1 и с ШПМ 25 см-1. Рамановские спектры свидетельствуют, как и ожидалось, что наибольшей степенью кристалличности обладают пленки a-Si:H, выращенные при температуре подложек 350 °С. Как показали

микроскопические исследования, доля микрокрнсталлитов на поверхности этих образцов достигает 50-60%.

Аморфный гидрогенизнрованныи кремний является очень "структурно-чувствительным" материалом. Плотность оборванных связей и параметр беспорядка в нем оценивались из спектральной зависимости коэффициента оптического поглощения a(hv), где hv-энергия фотона. Методом постоянного фототока (МПФ) измеряли оптическое поглощение в области энергии фотонов < Eg. Абсолютные значения а определялись по результатам совмещения двух графиков спектра поглощения, полученных из измерений МПФ и измерений по прямому пропусканию света. Параметр Урбаха a-Si:H (120 °С) - пленок показывает типичное для аморфной фазы значение 60 мэВ. В противоположность этому, параметр Урбаха для пленки a-Sí:H (200 °С) порядка 43 мэВ. Такое низкое значение ее отражает низкий уровень структурного беспорядка в пленке a-Si:H (200 °С) и может быть связан с существованием наноразмерных (1-10 им) областей с упорядоченной структурой. Плотность локализованных состояний для таких структур составляет от 4*1017 до 3* 1016 см° эВ-'. Переход от аморфной до линейно-упорядоченной микроструктуры приводит к изменению основных свойств материала.

Таким образом, в наших экспериментах существование линейно-упорядоченной структуры с большими межслойными расстояниями в a-Si:H (200 °С) пленке близко коррелирует с появлением сдвига ПО фононного пика в Рамановском спектре при 501,3 см-1 и с малой величиной структурного беспорядка (43 мэВ) в этом материале.

Возможно, что линейно-упорядоченная структура формируется за счет полимероподобных (Si-Нг) и - цепочек или в результате явления поверхностной перестройки. Полисилановыми цепочками легко объяснить большие по размеру (7,5 А0) межслопные расстояния в данной структуре.

Полисиланы воздействуют на зонную структуру: они ведут к очищению запрещенной зоны Е,. и к уменьшению беспорядка. Но существуют две потенциальные трудности, связанные с этой моделью. Одна связана с полным содержанием водорода. Концентрация водорода в пленках а-БШ определялась по спектрам инфракрасного поглощения и для пленок полученных при температурах Тп=120°С, 200°С и 350°С составляет соответственно Сн~25 ат.%, 15ат.% и ~2ат.%. В пленках а-БкН (200 °С), в которых присутствуют области с линейно-упорядоченной структурой, полная концентрация водорода равна лишь 15%, тогда как для структуры с полимерными (БьНг) - цепями количество водорода должно быть порядка 40% . Другое отличие заключается в формах связи водорода с кремнием. В ИК - спектрах пленок, полученных в тлеющем разряде постоянного тока при Тп=200°С, наблюдаются пики поглощения при 2000 см-' и 630 см-1 , связанные с растягивающимися и качающимися колебательными модами между Б1-Н. Этот результат свидетельствует, что водород связан с кремнием, в основном, в моногидридной форме. Значение оптической ширины запрещенной зоны для пленок, полученных при Тп=120°С, равна Е§~1,9 эВ, а при Тп=200°С и 350°С -соответственно -1,78 и ~ 1,65 эВ.

Появление линейно-упорядоченной наноструктуры, видимо, связано с перестройкой поверхности. Поверхностная перестройка ведет к более стабильному состоянию. Приведем некоторые основные принципы реконструкции поверхности. Для того, чтобы сохранить длину связей цепочек, необходимо уменьшить число оборванных связей путем их залечивания водородом. Как правило, этот процесс сопровождается очень большими угловыми смещениями. Например, поверхностная перестройка может привести к изменению химической связи атомов от Бр3 до Эр2 гибридизации. Такое глубокое самоперестраивание в аморфном кремнии

возможно при высоком гидростатическом давлении или аморфнзацим поверхности в процессе роста пленки. Предполагалось, что аморфная структура всегда находится в напряжении из-за большого количества смещенных связен и при этом стремится сохранить ближний порядок. Необходимость сохранения ближнего порядка и снятия напряжения должна привести к реконструкции поверхности и система должна перестроиться. Атомы имеют тенденцию связываться с наименьшей энергией, поэтому в результате перестройки ожидается формирование планарной Бр2 гибридизации кремниевого атома с прежними соседями и слабой 2- связи между плоскостями. В рамках данной модели можно объяснить наблюдаемое в ПЭМВР-снпмке такое большое расстояние между рядами или слоями, как 7,5А° , в линейно-упорядоченных структурах. Это расстояние, представляется, занимает область между внутренними плоскостями плотноупаковаиных атомов кремния.

В пятой главе рассматриваются спектральные (СХ) и вольтамперные (ВАХ) характеристики трех различных модификаций фотопреобразовательных р-Ьп структур: 1. из газов, синтезированных в лаборатории-

кварц/ 1ТО/р-а-8кВ:Н/ ¡-а-БпН/ п- а-81:Р:Н/А1; 2.. из промышленных газов, без варизопного слоя и с тыльным отражающим контактом -

кварц/ 8п02/р-а-8кВ:Н/ ¡-а-БгН/ п-а-ЗнР:Н^; 3. из лабораторных газов, с варнзонным слоем и с тыльным отражающим контактом -

кварц/БпОз /р-а-ЗкС:В:Н/ а-БиС^Н/ ¡-а-Б^Н/п-а-БиР^А^. В третьей модификации между слоем а-БЮ.'Н р-типа и слоем а-БкН ¡-типа проводимости р-ы1 структуры находится варизонный слой а^хСл-х, чтобы

снизить плотность дефектов и скорость рекомбинации носителей заряда на р/|-границе, и тем самым увеличить фототок и фотонапряжение.

Технологический процесс выращивания варизонного слоя ■ роводнлся в едином технологическом цикле путем увеличения содержания юносплана и уменьшения содержания метана в газовой смеси. Опти«: кая ширина запрещенной зоны в этом слое изменялась от величины £ < аморфного гидрогенизированного карбида кремния до Е» аморфнс гидрогени-зированного кремния.

В данной работе было изучено влияние на фотоэлектрические характеристики р-1-п структур не только введения варизонного слоя, но и изменения толщины р+-слоя н 1 -слоя, а также тыльного отражающего контакта. Вольт-амперные характеристики изготовленных в тлеющем разряде постоянного тока пленочных рч-п структур всех трех видов описывались соотношением:

1= 101{ехр[ я/П|кТ ( Ухх- 1КЗ*ЯП)]} + +102 { ехр [ Ч /п2кТ .V«] - 1 >, (5.1)

где 10) , 102 -обратные токи насыщения;

П| ¿--коэффициенты неидеальности;

Яп~ последовательное сопротивление.

Из исследования вольт-амперных и спектральных характеристик трех типов изготовленных фотопреобразовательных структур можно сделать следующие выводы:

- применение варизонного слоя увеличивает чувствительность в коротковолновой части спектра. Отсюда следует значительное повышение коэффициента собирания носителей заряда, что приводит, в свою очередь, К росту 1к-з И Ухх;

- применение же тыльного отражающего контакта из Ag увеличивает коэффициент собирания длинноволновой части спектра ;

- ток короткого замыкания 1Кз зависит от толщины р+-слоя. По мере увеличения толщины р+слоя до значения с1=100А° наблюдается подьем тока 1кз с достижением максимальной плотности 12,9 мА/см2, что связано с формированием барьера и с уменьшением влияния скорости поверхностно!! рекомбинации. Дальнейшее увеличение значения с1 свыше 100 А0 приводит к падению 1ю из-за роста неактивного поглощения в сильнолегированном слое. Напряжение холостого хода 11хх вначале возрастает с увеличением толщины р+слоя до 100 А0 и затем достигает насыщения;

- для толщины 1 -слоя оптимальной оказалось величина 5600 А0 . Она определена на основании спектральных и вольт-амперных характеристик фотопреобразователей. При малых толщинах 1 - слоя наблюдается снижение фоточувствительности в длиноволновой области спектра, а при больших толщинах сказывается на ВАХ рост последовательного сопротивления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан новый метод осаждения в тлеющем разряде постоянного тока высококачественных нелегированных и легированных слоев а-БкН и р-ьп структур на основе аморфного гидрогенпзированного кремния;

2. Для получения аморфных пленок р+ и п + типа проводимости, впервые синтезированы и применены моносилилборан и моиосплилфосфин, содержащие готовые 51—В и Б1--Р связи;

- 183. Впервые обнаружена новая слоистая линейно-организованная структура в пленках a-Si:H (Т= 200°С) с расстоянием между слоями 7,5А° и предложена модель образования такой структуры;

4. Показано, что пленки a-Si:H с наличием слоистой структуры имеют малый параметр Урбаха;

5. Определены электрические и оптические параметры нелегированного a-Si:H, полученного в тлеющем разряде постоянного тока (ширина запрещенной зоны, плотность оборванных связей , показатель преломления, фотопроводимость и др.);

6. Определены зависимости свойств a-Si:H от его структуры методами оптической спектроскопии, комбинационного рассеяния, высокоразрешающей электронной микроскопии и другими;

7. Показано, что введение варизонного р+ - слоя из a-Si* С i.*:H в фотопреобразовательную p-i-n - структуру на основе a-Si:H приводит к снижению рекомбинационных потерь в области гетерограницы p-i , в. результате увеличивается фоточувствнтельность в коротковолновой области спектра;

8. Определено влияние толщины р+ и i - слоев на фотоэлектрические свойства фотопреобразовательных р+ - i - п+ - структур;

9. Построены энергетические зонные диаграммы для p-i-n гомоструктуры на основе a-Si:H и гетероструктуры p+(a-SiC:B:H) -( a-SixCi.x:H) - i( a-Si:H) - n +(a-Si:P:H).

10. На основе a-Si:H и a-SixCi.* созданы гетероварнзонные солнечные элементы, показавшие в условиях естественного освещения следующие параметры: плотность тока короткого замыкания 1кз=12,9 мА/см2, напряжение холостого хода Uxx=0,85 В, коэффициент заполнения FF=0,55 и КПД 71=7%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Бачилова Н.В., Демин В.Н.,Манаков С.М., Тауасаров К., Таурбаев Т.И.,

ФраицевЮ.В. Электронная микроскопия и электронно-оптические

свойства пленок a-S¡:H, mk-Sí:H и a-Si:F //Труды Международной

конференции "Некристаллические полупроводники", Ужгород, 1989, стр.

56-58 .

2.Глазунов С.А., Кошумбеков Х.Д., Манаков С.М., Мукашев Ф.А., Тауасаров К., Таурбаев Т.И., Топанов Б.Г. Свойства пленок a-Si: Н, легированных бором и (фосфором, полученных методами химического осаждения из паровой фазы и магнетронным реактивным распылением //Труды Международной конференции "Некристаллические полупроводники", Ужгород, 1989 , стр. 92-94.

3. Манаков С.М.,Сулейменов Б.С., Тауасаров К., Таурбаев Т.И., Фотолюминесценция аморфного гидрогенизироваиного кремния при низких температурах II Труды совещания-семинара по физике крпо-кристаллов и диффузионному массопереносу, Ал маты , 1989, стр. 9.

4. Бийсембаев М. А., Сванбаев Е. А., Тауасаров К ., Таурбаев Т.Н. Солнечные элементы из аморфного кремния // Тезисы Всесоюзной конференции "Использование нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве Казахстана", Шымкент, 1990, стр. 56-57.

5. Кошумбеков Х.Д., Мукашев Ф.А., Тауасаров К., Таурбаев Т.И. Методы синтеза газов для изготовления полупроводниковых матернлов // Труды Всесоюзной конференции "Использование нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве Казахстана", Шымкент, 1990, стр. 59-60.

6. Кошумбеков Х.Д., Мукашев Ф.А., Тауасаров К., Таурбаев Т.И . и др. Способ получения аморфного гидрогенизироваиного кремния // Авторское свидетельство №1665832, зарегистрировано 22 марта 1991 г.

7. Тауасаров К., Таурбаев Т. И. , Топанов Б.Г. , Францев Ю.В. Солнеч-

чные элементы на основе гидрогенизнрованного аморфного кремния // Тезисы Международной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках", Ашхабад, 1991, стр. 252-253.

8. Тауасаров К., Таурбаев Т.И., Топанов Б.Г. , и др. Способ получения газообразных соединений кремния для получения пленок a- Si :В:Н // Авторское свидетельство № 1759003, зарегистрировано 5 мая 1992 г.

9. Тауасаров К., Таурбаев Т. И., Топанов Б.Г. , и др. Способ получения газообразных соединений кремния для получения пленок a-Si:C:H// Авторское свидетельство № 1762519, зарегистрировано 15 мая 1992 г.

Ю.Таурбаев Т.И., Михайлов J1.В. , Сванбаев Е.А., Манаков С.М., Тауасаров К., Бийсембаев М.А., Ахмурзин Э. Топкие пленки аморфного гидрогенизнрованного кремния // Новости науки Казахстана, Алматы , 1995, 2 вып., стр. 27-29. ' :

11. AldabergenovaS.B.,Albrecht M.,Stenkamp D., Tauasarov К..,Taurbaev T.l. Dietrich B. and Strunk H.P. On the Nanostructurc of Hydrogenated Silicon // Inler.Conf.Polycrystalline Semiconductors-1995, "Polyse-95". Physics and

Thechnology, Program and Abstracts, Italy, 1995, . 124-126.

12. Aldabergenova S.B., Albreht M., Stenkamp D., Tauasarov K., Taurbaev Т.1., Dietrich B. and Strunk H.P. On the Nanostructure of Hydrogenated Silicon // Solid State Phenomena, 1996, v.51-52, p.167-172.

13. Aldabergenova S.B., Albrecht M.,Strunk H.P., Tauasarov K., Taurbaev T.I., Stenkamp D., Dietrich B. Evidence for a layer-like nanostructure of hydrogenated silicon //MRS FALL Meeting, San-Francisco, April 812,1996.

14. Тауасаров К., Таурбаев Т.И. Линейно - упорядоченная структура аморфного гидрогенизнрованного кремния //Сборник трудов Международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов", Ташкент, 1997, стр. 109.

РЕФЕРАТ

ТУРАК,ТЫ ТОК.ТЫЦ КУЛПН СЭУЛЕС1НДЕ АЛЫНРАН СУТЕГ1 ЕНД1РШГЕН АМОРФТЫ КРЕМНИЙДЩ КДБЫКД1АЛАРЫ МЕН ОНЫН, К,ОСПАЛАРЫ ЖЭНЕ ЖАРЫК, вЗГЕРТЫШ р-Ьп К,УРАМЫНЬЩ КДСИЕТТЕР1

Буя жумыста туравды токгьщ кулгш сэулесшде алынган сутеп ендцршген аморфты кремшо'гдщ курылыстык, оптнкалык, электрлж Касиеттерш кадагалауы жэне зерттеу! кдрастырылган. Жарык озгергкил р-1-п курамалпрьш жасау жэне олардьщ электрлж, жарыкуъщ мшездемелерш зертгеу корсетшген.

Непзп нэтнжелер! мен кррытындылар: тунгаш рет 200 °С тедгпературада алынган кабьп<зиаларда тура-реттелген кдбатгар (арасы 7,5 А°) аяыхгалды. Жарык; жуту спектршен оте кхшкене Урбах энергнясы е0=43 мэВ анык,талды. Бул кдбыкщалардьщ жогары реттелген сапасын кврсетедй К о м б I гл а ш I я л ъ пс, шашырау спектршен а-Б!:Н кабыкшалардагы кристалнгшс сапасы корсетшген. Крспалы кабыкдгылар жасау ушш жаца газдар: моносшшлборан, моноснлнл-фосфшг дайын Бх-В жэне Б1-Р байланыстарымен долданылды. К,ызыл жарык, жуту спектршен а~81:Н к,абьп<щалардагы сутегннн; атомдык процент! жэне кремний мен сутепнш; к;авдан байланыста екеш аньпдгалды. Коьпртеп бойшпла курами озгермел] р+ кабаттьщ жарьш; озгерткзш р-1-11 курамында крлдану аркылы электр он-тесж б!рлест1гшш жоиылуы азайтылды, р-1-п курамасыныц кыскд тол1<ыпды сэулелерге сезьмталдыгы арытты. Ец жаксы р-1-11 курылььмы тур акты жагдайда кун соулесшен мынадай корсеткиятерге не болды: туйьп<?алган токтыц тызеыздыгы . 1ГГ=12,9 мА/см", бос журу кернеу1 и6к=0,85 В, толъпсгыру коэффгашен'п РР=0,55 жэне пандалы эсер коэффициент! п=7%.

Properties of films and p-i-n phototransfomed structures on the basis of amorphous hydrogenated silicon and its alloys, received in smoulder discharge of a constant current.

This work devoted to investigation and control of structural, optical and photoelectric properties of films of amorphous hydrogenated silicon and its alloys, deposited in smoulder discharge of a constant currcnt were done, creation of phototransfonned p-i-n structures investigation its photoelectrical characteristics.

The main results and conclusions:

New method of a deposition in smoulder discharge of a constant current qualitative dopping and undopping a-Si:H layers and p-i-11 structureses on the basis of amorphous hydrogenated silicon was developed.

For reception of amorphous p+ and ir films for the first time were synthesised and applied monosililboran and monosiliphosfin, containing pointed Si-B and Si-P linkages.

New layered linear - organized structure in the films a-Si:H (T=200°C ) was found out with distance between layers 7,5 A°.

From an absorption spectrum a small parameter Urbakh e=43 meV, which characterizes of well regulated of a structure, was determined.

Was determined a degree of crystallinity from a combinational scattered spectrum, concentration of a hydrogen in films and connections between a hydrogen and silicon was determined from a IR-spectrum.

It was shown that introduction of varyzone p* layer from a-SixC, x:H into phototransfonned p-i-11-structure 011 the basis of a-Si: H results to decreasing of recombination losses in the area of p-i geteroboundary, and as a result a photosensitive in the short-wave area of a spectrum increased.

Best p-i-n structures in conditions of natural illumination had following parameters: density of a current of short circuit lsc= 12,9 mA/ cm2, voltage of single course Uxx=0,S5 B, factor of filling FF=0,55 mid efficiency h=7 %.