Условия конденсации и механизмы электропереноса в аморфных полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

'■'■ т

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ _ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ_

на правах рукописи

ХАСАН СУЛЕНАН

Условия конденсации и механизмы электропереноса в аморфны* полупроводниках

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

А ТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ж'

Москва - 1992

Работа выполнена о Московской ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетической институте.

Научный руководитель: к.т.н., профессор ФИ ЛИКОВ В.А.

Научный консультант: к.ф-н.н., с.н.с.

ЛИГАЧЕВ О.А.

Официальные оппоненты: д.ф-ы.н., доцент

ВОРОНКОВ Э.Н. к.ф-м.н., доцент СУРОГИНА В.А.

Ведущая организация: Московский институт стали и сплавов

Зацита состоится " II " декобря 1992 г. в аудитории Г- 408 в 16 часов в 15 иин. на заседании специализированного Совета К 053.16.08. при Московском энергетической институте по адресу: 111250, Москва, ул: Красноказарменная, д. 14, Московский энергетический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "-" ноября 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.ф-н.н.

КАРЕТНИКОВ И.А.

- 3 -

ОБЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последние 15-20 лет исследование электронных явлений в неупорядоченных систеиах заняло одно из центральных иост в физике твердого тела. Это обусловлено как внутренней логикой развития Физики, так и возрастаьцей практической важностью таких систем. Одна из основных особенностей аморфного твердого тела состоит в том, что в такой теле отсутствует трехмерная периодичность. Расположение атомов в такой теле, однако, не является совершенно случайный, как это имеет место в газе. Силы, действующие между атомами в аморфном теле, имеют ту же природу, что и силы в кристалле, и хотя дальний порядок отсутствует, ближний порядок, вообце говоря, сохраняется.

Для адекватного теоретического описания свойств аморфного тела требуется полное знание его структуры. В тоже время, структура такого материала зависит от условий его приготовления. В настоящее время установлено, что и количественное описание неравновесных технологических процессов и соотношения, связывавшие структурные и электрофизические параметры неупорядоченных полупроводников, не могут быть получены путем логического развития термодинамики равновесных процессов и теории кристаллического твердого тела. Формирование теоретических представлений, описывавших эти проблемы еце продолжается, поэтому важное значение имеет экспериментальные исследования механизмов конденсации, влияюцих на структуру и, в конечном счете, на электрические и оптические параметры материала.

Одним из многих аморфных полупроводников, которые явились объектами глубоких фундаментальных исследований и наоли вирокое практическое применение, является гидрогенизированный аморфный кремний (а-Б1:Н>, Это обусловлено тем, что он является типичным представителем класса аморфных полупроводников с тетраэдрической координацией атомов излектрические параметры этого материала иож-но изменять в достаточно широких пределах за счет изменения параметров технологического процесса и легирования. Открытие в 1975г. возможности легирования по механизму эамецения приготовленного разложением силана в тлеющем разряде, позволила

получить материал с р- и П- проводимостью и уникальными фотопроводящими * свойствами, обусловленными сильный оптический поглощением в видимой области спектра.

Исследования электрических свойств 0-51:Н, продолжаются до сих пор, однако полученные различными способами результаты, зачатую противоречат друг другу. Теоретический подход к описанию явлений электропереноса осложняется из-за неприменимости для неупорядоченных полупроводниковых материалов кинетического уравнения Больцмана. Общая теория разработанная для таких материалов Кубо, выглядит довольно последовательной, однако не является единственной. Другая интерпретация проблемы переноса в материалах типа 0-Б1:Н основана на теории протекания. Температурные зависимости проводимости при конечных температурах, полученные в иодоли теории протекания, оказываются аналогичными зависимостям, полеченным в других моделях, однако существенные расхождения проявляются в вопросе об основополагающих понятиях (например - о минимальной проводимости). Еще один подход к описанию кинетических явлений состоит в попытках использования модели поляроиов малого радиуса. Однако, если поляроны действительно существуют в О-БЬ:Н, то это должно привести к отказу от моделей плотности состояний типа Коэна-Фрицое-Овшинского и Мотта-Дэвиса.

Известно, что изменение условий получения некристаллических полупроводников оказывает значительное воздействие на их свойства. Примером подобного воздействия может служить эффект псевдолегирования в а-БЬ:Н, когда варьированием температуры подложки (Т,) и скорости прокачки силана удается добиться смещения уровня Ферми (Е<) и, как следствие, существенного изменения параметров темновой проводимости материала. Однако, до сих пор природа взаимосвязи технологических и электрофизических параметров некристаллических материалов является предметом дискуссий. Рассматриваемая в качестве основной причины эффекта псевдолегирования перестройка структуры 0-Б1:Н с участием трех- центровых связей (ТЦС), из-за отсутствия возможности их экспериментального наблюдения остается гипотезой,которую в ближайшем будущем едва- ли удастся подтвердить или опровергнуть. Этим размывается почва для обсуждения базирующихся на представлениях о ТЦС механизмов взаимосвязи условий приготовления пленок а-Бь-.Н с плотностью состояний в щели подвижности (ЦП) и движением уровня

Ферми.

Из выше сказанного можно сделать следующие выводы: во-первых, к настоящему вреиени отсутствует единый подход к интерпретации экспериментальных результатов по исследовании механизма злектропереноса в неупорядоченных полупроводниках;

во-вторых, иерешеиы проблемы взаимосвязи электрических н оптических свойств аиорфных полупроводников с их условиями приготовления.

При исследованиях взаимосвязи между условиями приготовления и свойствами кристаллических материалов атомная структура полупроводника служила промежуточным звеном в цепи: условия приготовления материала - структура - свойства. Это давало возможность разделить проблему в целом на две более простые: первая - исследования корреляции между условияии приготовления и структурой материала, и вторая - исследования взаимосвязи структура - свойства. В аморфных материалах возможна ситуация когда одинаковым наборам электрофизических параметров материала соответствует но совпадасщие между собой пространственные распределения атомов, что делает необоснованный использование атомной структуры материала в качестве промежуточного звена между условиями приготовления и свойствами материала. В этой ситуации представляется целесообразным рассмотреть вопрос о возможности использования морфологии неупорядоченного материла в качестве эвена, связывавшего условия приготовления и свойства аиорфных полупроводников.

Цельо настоящей работы явилось изучение механизмов электропереноса в 0-51:Н, полученного методом ВЧ распыления в аргоноводородной атмосфере при различных сочетаниях технологических параметров, исследование иорфологии а-Б1:Н и ее связи с электрофизическими свойствами.

Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

I) На основе результатов исследования методами электронной микроскопии и ИК- спектроскопии и результатов исследований электрических и оптических параметров изученных в данной работе двух серий пленок а-51:Н, установлено сходное поведение ряда параметров (характеристической энергии края поглощения Урбаха С., оптической пирины запрещенной зоны, отношения О « /б т) для

пленок обоих серий в области изменения механизмов конденсации различных БьН,- комплексов (1 = 1.2) на поверхности пленок а-Б1:Н в процессе их формирования.

2) В приготовленных методом ВЧ ионноплазменного распыления пленках по данный изиерений электрических и оптических параметров обнаружен и исследован эффект псевдолегирования.

3) Установлена возможность прохождения уровня Ферми через глобальный минимум плотности локализованных состояний [N(1!!)] в ЦП при эффекте псевдолегирования.

4) Доказана правомерность использования модели Сето и модели релаксатора Фрелиха при моделировании процессов токопереноса в неоднородных слоях а-БЬгН, и на их основе установлена взаимосвязь результатов измерения электрических и оптических параметров на постоянном и переменном токе в диапазоне частот 100 Гц < | < 35 МГц с параметрами неоднородности (морфологией) пленок и режимами конденсации Б1Н,- комплексов (Ч = 1,2).

Основные положения, выносимые на зациту:

1) Результаты исследований свойств пленок, сформированных в режимах полной и неполной конденсации ¿Ш,- комплексов (Ч = 1,2) на поверхности а-Б1.Н в процессе их осаждения.

2) Результаты исследований изменения положения уровня Ферми по отношении к глобальному минимуму плотности состояний при псевдолегировании.

3) Методы и результаты исследований процессов диэлектрической релаксации и поляризации в неоднородных пленках 0-Б1:Н.

<|) Интерпретация взаимосвязи электрофизических свойств а-Б1:Н и условий их конденсации на основе анализа неоднородности (морфологии) материала с использованием моделей Сето и Фрелиха.

Практическая значимость работы заключается в следуюцем:

Отработаны режимы получения пленок О-БЬ :Н для изготовлении солнечных элементов и изделий микроэлектроники, например - для транзисторных структур типа МДП.

Апробация: результаты работы докладывались на научном семинаре 'Электрофизические свойства полупроводниковых и диэлектрических материалов" кафедры "Физика и технология материалов и компонентов" Московского энергетического института.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах и в двух работах на правах рукописи, одна работа

принята к публикации в "йурнале технической физики", регистрационный N 2I60I и еще одна работа принята к печати 18.09.92 в. журнале "Физика и техника полупроводников*.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, и приложения. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 2 таблицы и 6 фотографий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Do введении дана общая характеристика работы и обоснована актуальность выбранного направления исследований.

Во первой главе представлен обзор литературы по проблемах: плотность локализованных состояний в цели подвижности аморфных полупроводников (I.I), особенности электрических свойств Q-Sl:H (1.2), положения уровня Ферми в пленках Q-Sl:H, приготовленных при различных условиях осаждения (1.3), исследования атомной структуры и морфологии a-Sl:Н (1.4), технологические параметры и свойства материала (1.5). На основе анализа данных вопросов выделены их дискуссионные моменты и сформулированы задачи диссертационной работы (1.6).

Вторая глава посвящена описанию методики получения d-Sl:H, техники эксперимента и алгоритмов расчета спектров плотности состояний по ТОПЗ.

В 2.1. описана технология получение Q-Sl:H методом ВЧ нон-ноплазменного распыления. При получении пленок в качестве мишеней использовался диск монокристаллического кремния марки КДБ-200. Диаметр диска составлял 150 мм, что позволял получить толстые (порядка 20 мкм) пленки Q-Sl:H при сохранении удельной иощности распыления на уровне единиц ватт на квадратный сантиметр площади распыляемой иивени.

Были получены две серий образцы: образцы серии "а" ("тонкие" пленки) осаждались в атмосфере аргон-водород с соотношением компонентов (Az/H) 7:1 в течении 3 часов со скоростью (0,04 - 0,36) мкм/ ч на подложку с температурой 250* С и Рм = 10Topp, а образцы серии "б" ("толстые" пленки) осаждались при Т, = 400* С в атмосфере аргон-водород с соотношением компонентов 7:1 а течении 5 часов со скоростью 2 мкм/ч и H = 500 Вт. При получе-

нии пленок 0-Б1:Н серии "а" варьируемым технологическим параметром была мощность^ ВЧ разряда N. а при получении серии '.б" - парциальное давление водорода в камере установки.

В (2.2) описаны методики измерения проводимости б» и фотопроводимости б « в диапазоне температур от 20-260* С, определения толщины пленок (1 с использованием спектров пропускания системы "подложка-пленка*, измерения емкости С и добротности 0 в диапазоне частот 100 Гц - 30 МГц, и ВЛХ структур металл -пленка а-Б1:Н - металл при температуре Т = 300 К, а также изложены физические основе определения коэффициента поглощения и плотности состояний №Е) в ЦП с использованием метода постоянного фототока (ЫПФ).

В следующем разделе описаны алгоритмы расчета спектров И(Е) в ЦП а-Б1:Н по данным токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ). Большинство физических идей, развиваемых для иатерп-ретьдии механизма ТОПЗ в тонких изолированных пленках, были введены Роузом, Лампертоы и обобщены Нешпурхом с соавторами.

Общепринятый подход, получивший название дифференциального метода, основанный на изображении аиллера, нуждается в дополнительных допущениях, таких как предположение о форме функции №Е) и о характере усреднения величин электрического поля и плотности заряда по толщине пленок. Этим методой из кривых ТОПЗ можно восстанавливать различные распределения ловушек (гауссовое, экспоненциальное, ионоэнергетическое и однородное), однако он не лишен ограничений. Метод справедлив в пределах предположения о том, что используемые в этом подходе параметры не является постоянными и их изменения с напряженней должны быть учтены. Указанные ограничения подхода, приводят к ошибкам в определении достигающий, по крайне иере, 100£. Кроне того, функция М(Е) не является непрерывной: происходит разрыв производной при режимах, , близких к омическому.

Иной вариант решения поставленной задами может быть представлен в виде аналиического решения уравнения, связываощеого напяжеиие V с током I. Однако, полученное выражение для расчета И(Е) справедливо с оговоркой, что изменение логарифма Н(Е) не очень велико относительно изменения энергии

[кТ (СЬоз №Е)/ (£)

<< I]. Хотя использование статистики конечной (не нулевой) температуры должно устранить эту оговорку, выполнение этого условия

является довольно сложный. Ожидается, что погреоность в определении Н(Е) с помощью полученного с помощью этой методой уравнения в случае аморфных полупроводников будет весьма существенной из-за конечного температурного уширения. Так как ТОПЗ является объемный эффектом и усредняется по внутреннему (неупорядоченному) объему образца, результирующее распределение плотности состояний возможно медленно изменяется по энергии из-за того факта, что энергия квазиуровня Ферми также изменяется медленно по толщине образца.

Предлогался более простой способ обработки экспериментальных данных, в котором пренебрегается неоднородностью распределения концентрации носителей заряда и поля по образцу (что может давать погреоность в пределах множителя 2). Наконец, было выведено выражение для ВАХ, когда плотность состояний глубоких уровней экспоненциально увеличивается с энергией выше уровня Ферми. Это показывает, что наклон зависимости ЬОЭ } от ЬОЗ V медленно увеличивается и достигает ограниченной величины только прм достаточно больших напряжениях. В отличие от КПФ, методика экспериментальных исследований плотности состояний, основанная на данных, полученных методом ТОПЗ, позволяет исследовать спектры плотности состояний в относительно узком (0,1-0,3 эВ) диапазоне энергий. Причем, эти состояния расположены в окрестности С«. К достоинствам метода ТОПЗ можно отнести также относительно высокую точность измерений плотности состояний, простоту измерений ВАХ образцов, н также то обстоятельство, что измеряется именно объемная плотность состояний в щели подвижности пленок 0-51:Н.

Далее приведена методика исследования морфологии пленок а-Б1:Н с помощью просвечивающего электронного микроскопа и представлены их результаты. Анализ микроструктуры исследуемых пленок 0-51:Н с использованием сканирующего и просвечивающего электронного микроскопов подтверждает их неоднородность.

В. третьей главе изложены теоретические аепкегы моделей Сето и Фрелиха, а также модель структуры неоднородных слоях 0-51:Н, полученных ВЧ ионноплазменным распылением.:

В (3.1) описана модель поликристаллических полупроводников (модель Сето) на постоянном токе, рассмотрены ее недостатки и усовершенствованные варианты.

В (3.2) описана модель поведения двухфазной системы на переменном токе и обосновано применение обоих моделей к неоднородным

- 10 -

аморфным полупроводникам, а также представлена энергетическая схема (схема распределения потенциальных барьеров) аморфного полупроводника, в которой Е, отождествляется с потолком валентной зоны, a La«~ со средним размером одного "столба".

Результаты исследований пленок О-St:Н приведены в четвертой главе. В (4.1) представлены результаты электронномикроскопнческнх исследований поверхности пленок, свидетельствующие, что структура исследованных образцов 0-SL:H характеризуется наличием "столбов" (то есть пленки имеют столбчатую структуру). Эти данные использовались для расчета усредненной поверхностной концентрации сталбов (К) в исследованных пленках. В пленках 0-Sl:H серий "а" средний размер столбов R изменялся в пределах 140 А - 290 А. Существенно больше неоднозначность в оценке расстояние между столбами: 30 -100 А.

Приведенные в работе зависимости средней поверхностной концентрации столбов К на поверхности полученных пленок от N и Рн соответственно характеризуются немонотонным изменением К, что связано с переходом от режима неполной (Т» > (где te - среднее время жизни SÍH, комплекса до его захвата растущей пленкой, То - среднее время жизни комплекса до его реиспарения) к режиму полней (Та < Т.) конденсации SIH- и SLHа- комплексов на поверхности пленок в процессе их осаждения. В "критической" области (Тр= Т«) среднее время Т = (Тс' Те)/(То ♦ То) движения указанных комплексов на поверхности пленок наибольшее из возможных при данных условиях, что приводит к формированию пленок Q-SÍ:H с относительно высоким средним размером "столбов" R = (ЯК)*1'1 (и локальным минимумом значений {ЗюК(Н) при критических значениях параметров И = 100 Вт (Рн =0,6 мТорр).

В (4.2) приведены рассчитаные с помощью программы "SPEKTR" спектральные зависимости оптического коэффициента поглощения a(hv ) полученных в данной работе как "тонких", так и "толстых" пленок Q-Sl:H на основе данных измерений спектров пропускания Т(Е) и отражения R(E) системы пленка 0-51:Н-подложка. Спектральная зависимость 0C(hv ) в области слабого поглощения тесно связана со спектром плотности состояний Н(Е) в щели подвижности и невозможность использования данной методики для определения 0(.(hH) в области слабого поглощения является ее существенным недостат-

кои. С использованием экстраполяция зависимости величины (ОС-ИУ )1/1 от ИУ рассчитывались оптическая ширина Е. цели подвижности пленок 0-51:Н (Е. = 1,81-1,88) и характеристический параметр В, определяемый, как наклон прямой экстраполирующей зависимости: (ОсКУ)"1 от (IV [В = 369-786 (см.эВ)",/а]. Изменение иощности разряда в диапазоне-Н = 40-125 Вт во время осаждения пленок 0-51:Н серии "а" приводит к изменению оптических параметров, и в том числе величины оптической пирины запрещенной зоны, что связано с изменениями состава пленок, вызванными изменениями режима конденсации 51Н2- комплексов. Что касается пленок серии "б", то мы видим, что по мере повышения парциального давления водорода Рн до 0,6 мТорр в области "критического" диапазона, ширина запрещенной зоны увеличивается, затем она уменьшается при дальнейшем росте Рн до определенной величины. Для данных образцов максимальные значения [Е,= 1,50-1,60 эВ и В = 277-347 (см.эВ)~,/а] , что несколько меньве, чем обычные значения этих параметров, получаемые для пленок, приготовленных по "силановой" технологии.

Исследование спектров ИК пропускания (с использованием приборов "БресогС! 75Г и "Рэаап-Е-Ьпег 1720") в диапазоне шо-гзоо см позволяло определить как общую концентрацию водорода (6-7 ат.%), так и его распределение по структурным комплексам 51Н (поглощение в области 2000 см"1) и БШа и БьНэ (поглощение в области 2100 си '). Соотношение количества водорода, содержащегося в форме комплексов 51Н и 51Н2, изменяется в зависимости от рабочего давления газовой смесей в камере установки. По данным ИК - спектроскопии, пленки серии "а" содержали большое количество водорода, их максимальная величина достигла до 25 ат.%. А для пленок серии "б" содержание водорода не превышало 10 ат.Х-

В (4.3) описаны результаты определения спектров плотности локализованных в ЦП состояний И(Е) и «Х(Ку), результаты их расчетов по данным НПФ и ТОПЭ и изменения положения уровня Ферми по отношению к глобальному минимуму плотности состояний М(Е) при псевдолегировании.

Полученные по данным МПФ в настоящей работе спектры, как правило, имеют два пика на графиках ОС(Е) и М(Е), что является их основным отличием от пленок, приготовленных разложением моносила-на. Интерпретация указанных различий спектров связана с

- 12 -

особенностями морфологии пленок Cl-Sl:H со столбчатой структурой. Предполагается, что пик с максимумом при Еа = Е0-Е = 1,5-1,7 эВ формируются оборванными и "ослабленными" свя- зями, расположенными внутри "столбов", в то время как пик с максимумом Ei = Ео-Е = 1,2-1,4 эВ вызван оборванными связями, концентрированными в основном в заполняющей промежутки между "столбами" "соединительной ткани". Обоснованность этого подхода подтверждается экспериментальной корреляцией амплитуда пика N(E) и рассчитанной в 1.1 формулой поверхностной концентрации "столбов" К в пленках серии "6".

В этом разделе плотность состояний вблизи уровня Ферми рассчитывалась с помощью ТОПЗ, для этого при комнатной температуре снимались вольт-амперные характеристики "сэндвич"-структур и структур с пленарным расположением никелевых электродов. Расчет 14(E) по данным ТОПЗ проводился по методике Деи-Боера. Максимальная величина напряженности электрического поля в исследованных пленках не превышала 6.I04 В/см для исключения влияния эффекта Пула-Френкеля. Полученные такии способом величины при приближении к Ei составляли (2.10,в - 10") эВ~'.см~' и W.IO** - в.1018) аВ~,.см",> для обоих исследованных образцов серий "а" и "б" соответственно. Этот метод позволял определять характер спектров N(E) в достаточно узким диапазоне энергии, в окрестности уровня Ферми. Показано, что при изменения режимов конденсации (то есть изменении концентрации SLH,-конихексов, где Ч = 1,2) пленок наблюдается изменение положения уровня Ферми относительно глобального минимума плотности состояний <эффект псевдолегирования). Эти данные использовались в дальнейшем для объяснения поведения некоторых электрических параметров исследованного материала.

В (<•.«•) описаны результаты исследования температурных зависимостей темновой и фотопроводимости (при условиях, близких к AMI) на постоянном токе в диапазоне температур 293-533 К, а также спектральная зависимость фотопроводимости при изменении длины волны падающего света в диапазоне 200-2000 нм.

Здесь следует указать на отсутствие для всех образцов d-Sl:H (как для серии "а*, так и для серий "б") участка моттовской проводимости: зависимость в(Т) носит активационный характер во всем температурной диапазоне исследования электропроводности.

Энергия активации проводимости определялась обычный способом как тангенс угла наклона (с учетом масштаба) прямой в координатах Шб-Т , проведенной таким образом, чтобы среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений {Л б и значений ординат прямой было наименьшим. Энергия активации электропроводности исследованных образцов серий "а" изменялась в пределах 0,40 -0,75 эВ. Однако, энергия активации, Полученная при высоких температурах для серий образцов "а" и "б" варьировалась в пределах 0,29 - 0,72 эЗ и 0,49 - 0,83 эВ соответственно.

При изменении условия конденсации пленок 0-9Ь:Н меняется и характер всех температурных зависимостей темиовй- и фотопроводи-остей как в пленках серки "а", так и в пленках серии "б": они могут содержать один или два линейных участка с различной величиной энергий активации. Этот факт может быть связан с наблюдаемой неоднородностью структуры и преобладанием проводимости по одной из двух фаз материала, что может реализоваться при наличии "столбчатой" микроструктуры и/или областей более или менее насыщенных атомами водорода. С другой стороны, предположение, что у образцов, полученных при высоких значениях мощности разряда и парциального давления водорода, Б< находится справа от глобального минимума плотности состояний (сдвинут от минимума №(Е) к дну зоны проводимости), также позволяет объяснить наблюдаемый экспериментально характер зависимости темновой проводимости в этих образцах. Если справедливо последнее, то наличие одного линейного участка в координатах Аррениуса для пленок серии, полученных при Н < 77 Вт (Рн < 0,6 иТорр), является косвенным свидетельством совпадения энергетического положения Е» при комнатной теыпера-туре с положением глобального минимума плотности состояний в этих пленках.

Экспериментальная проверка перечисленных выше предположений осуществлялась с помощью пошагового варианта методики расчета в области энергий, близких к Е«, - по данным ТОПЗ. В целом, полученные данные свидетельствуют о сходном поведении параметра (6« /б») для пленок обоих серий в области изменения механизмов конденсации различных Б1НЧ- комплексов (Ч = 1,2). Количественные значения Н, Рн и проводимости могут при этой значительно отличаться.

В 4.5. представлены результаты исследования электрических

свойств на переменной токе и их интерпретации.

Значения макроскопических параметров аморфных полупроводников и характер их изменений при различных видах внешних воздействий во многом определяется спектрами И(Е) в ЦП этих материалов. Известно также, что изменение условий приготовления аморфных полупроводников, и в том числе 0-5>1:Н, приводит к изменении их макроскопических параметров. Это дает основание предполагать существование взаимосвязи между условиями приготовления и спектрами Н(Е) неупорядоченных материалов. Однако экспериментальные исследования указанного вопроса даст противоречивые результаты, что вызывает необходимость продолжения исследований в этом направлении. В настоящем разделе изучаются взаимосвязи между условиями приготовления, спектрами плотности состояний и поведением в переменном электрическом поле пленок полученных ВЧ (13,56

МГц) ионноплазменным распылением при различных значениях мощности ВЧ разряда Н. Приведены экспериментальные частотные зависимости емкости (С) конденсаторов с пленками 0-Б1:Н в качество диэлектриков, а также результаты рассчитанной с помощью описанной В разделе 2.2 методики зависимости ^ (3) (при Н = 125 От). Спектры времен релаксации для этих же образцов, были рассчитаны из интегрального уравнения Дебая.

В рамках модели неоднородной (столбчатой) структуры анализируется взаимосвязь параметров морфологии, спектров Я(Е) и спектров времен релаксации [У(ЧГ)] пленок 0-51:Н, полученных при различных значениях мощности разряда. Показано, что "соединительная ткань" является энергетическим барьером, разделяющим "столбы", составляющие основу материала. Высота барьера определена из данных НПФ, а среднее время надбарьерного перехода рассчитано с использованием модели релаксатора Фрелиха. Обнаружено согласие меаду расчетными и экспериментальными параметрами, характеризующими процессы поляризации "соединительной ткани" в исследованных пленках. Предполагалось, что высота барьера Еь равна разности анергий, соответствующих максимуму пика плотности состояний и потолку валентной зоны. Для исследованных в работе образцов эта разность колеблется в пределах 0,50-0,80 эВ. Тогда при разумном (для материала внутри "столбов") значении V о = 5.10" Гц и комнатной температуре образцов (Т = 300* С), получаем, что сроднее время надбарьерных переходов в исследованных образцах

должно изменяться в диапазоне: 8,7.10"" с < I < 0,97 с. Очевидно, что указанный диапазон включает в себя область характерных времен релаксации, выявленную экспериментальными исследованиями. Таким образом, подтверждена обоснованность применения модели релаксатора Фрелиха для оценки характерных времен релаксации пленок а-Б1:Н со столбчатой структурой.

Так кок характерное время надбарьерних переходов носителей заряда в неоднородных пленках превышает 10 с, так что при частотах внешнего электрического поля ^ > 10 Гц падбарьерные переходы практически отсутствуют и пленки 0-51:11 можно рассматривать как совокупность множества конденсаторов, "обкладками" которых являются "столбы", а "диэлектриком" - "соединительная ткань". Емкость такой системы конденсаторов должна быть прямо пропорциональна площади "обкладок", которая для пленки единичной толщины равна длине периметра столбов Ь, занимающих единичную площадь и обратно пропорциональна толщине "соединительной ткани" Н. 3 соответствии с полученным в '».I результатом Ь = 2-(ЯК)то есть величины Н и Ь иогут в принципе бить определены из анализа результатов электронномикроскопических исследований поверхности пленок. Однако из полученных в работо данных установить количественную зависимость параметра Е от условий приготовления образцов не представлялось возможный, и здесь его величина считалась постоянной. График зависимости произведения параметров С—б от длины периметра Ь представляет собой два почти параллельных отрезка прямой, причем один из них соответствует пленкаи 0-51:Н, полученным в режиме полной конденсации БсН »-комплексов, а второй - пленкам, полученным р режиме неполной конденсации указанных комплексов. Такое различие зависимостей может быть вызвано изменением толщины "соединительной ткани* при резком увеличении концентрации Б1Н¡-комплексов в пленках, или изменением диэлектрической проницаемости "соединительной ткани". Линейный характер зависимости свидетельствует, что нормированная высокочастотная емкость системы конденсаторов в пленках 0-51:Н со столбчатой структурой определяется поляризацией "соединительной ткани".

Результаты, представленные в настоящем раздело позволяют объяснить, почему использование модели Сето для пленок О-вЬ:Н не дает возможности адекватно описать поведение параметров материа-

ла, измеренных на постоянной токе. В самой деле, при высоте барьера 0,5 - 0,8 эВ время релаксации проводимости в пленках й-Б1:Н со столбчатой структурой не превышает десятых долей секунды (а типичные значения еце на один-два порядка меньше этой величины), в то время как характерная постоянная времени при измерениях проводимости в структурах с пленарным расположением электродов (особенно для высокооиных образцов) изменяется обычно в пределах от 5-10 с до 2-3 мин. Естественно, что все связанные с неоднородной структурой процессы релаксации воспринимаются ори данном соотно-вении характерных временных интервалов как переходные процессы, возникающие из-за включения измерительных приборов, и не могут быть исследованы использованными для измерения параметров на постоянном токе экспериментальными средствами. Кроме того, в модели Сето (как упоминалось в разделе 4.4), не учитываются наличия объемных локализованных состояний, распределенных в запрещенной зоне материала и влияния эффекта статистического сдвига уровня Ферми.

В заключении содержатся выводы, относящиеся ко всей работе в целом.

Основные результаты настоящей работы могут быть сформулированы следующем образом:

I) Методами электронной сканирующей микроскопии и просвечивающей микроскопии коллодиевых реплик с поверхности пленок исследована взаимосвязь усредненной поверхностной концентрации столбов двух серий пленок 0-51:Н с условиями их приготовления. Установлено существование режимов осаждения пленок, соответствующих минимальным значениям поверхностной концентрации столбов.

■ 2) Выявлены области режимов полной и неполной конденсации

(Ч 2 1,2) комплексов на поверхности 0-Б1:Н в процессе их формирования.

3) Обнаружен и исследован эффект псевдолегирования в пленках а-Б1:Н, полученных при различных условиях осаждения, заключающийся в изменении положения уровня Ферми по отиояению к дну зоны проводимости материала при изменении условий его приготовления.

4) По данным МПФ и ТОПЗ рассчитаны спектры плотности состояний в щели подвижности пленок а-Бс:Н, определена высота энергетического барьера, разделяющего столбы в плонках и установлена воз-

- I г.

можность прохождения уровня Ферми через глобальный минимум плотности состояний.

5) С использованной специального алгоритма рассчитаны спектры вреиеи диэлектрической релаксации исследованных пленок в дна— 8 I — 2

пазоне 3.10 с < I < 10 с. Установлено, что характерное время наиболее интенсивных процессЬв релаксации соответствует сродницу времени надбарьерного перехода электронов между заполненными состояниями в соседних столбах.

6) Показана правомерность использования модели Сето для поликристаллов и модели релаксатора Фрелиха (двуХямного потенциала) при моделировании процессов токопереноса, обусловленных надбарь-ершши переходами носителей заряда в неоднородных слоях а-Б1:Н.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАШШХ ПО ТЕПЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лигачев В.А., Гордееп В.11., Филиков В.Л., Сулеман X. Конденсация Б1Н„- комплексов и псевдолегирование в а-Б1:Н // ФТП.7 1991,- Т.25.- Вып.9.- С. 1536-1511.

2. Филиков В.А., Сулеман X., Лигачев В.А. и др. Электрофотографические слои аморфных пленок с тетраэдрической координацией атомов // Труды ин-та /Ыоск. энорг. ин-т,- 1991.- N 640.- С. 46-54.

........ЛрФ""

ПпдпигяноК ГГЧЯТИ

д и 5 т..Р„. ¡со Шь

Типографии МЯИ, Кр.ин.адырчсиипя. 1,1,