Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Тонкопленочные структуры на основе аморфного гидрированного кремния и родственных ему материалов

Гидрированные полупроводники - это новый класс некристаллических полупроводниковых материалов, начало которым положено с середины 70-х годов работами по гидрированному аморфному кремнию. Пленки аморфных Si, Ge и ряда других известньгх полупроводни-

ков синтезированы достаточно давно и по своим свойствам не представляют большого практического интереса. В отличие от своих кристаллических аналогов, эти материалы имеют большую плотность локализованных состояний в запрещенной зоне (> Ю см ), обусловленных наличием у многих атомов ненасыщенных, оборванных связей. Уровень Ферми в таких аморфных пленках располагается вблизи середины запрещенной зоны. Пленки имеют очень высокое удельное сопротивление и низкие значения подвижности и времени жизни носителей заряда. Прецизионно управлять электрическими и оптическими свойствами таких аморфных пленок практически невозможно.

Как было показано на примере кремния, положение коренным образом изменяется при введении в такие пленки атомов водорода. Оказалось, что водород обладает очень высокой растворимостью в аморфном кремнии (до 30...40%) и, насыщая пленку, замыкает на себя большую часть оборванных связей. В результате в таком гидрированном материале, названном (в отличие от обычного аморфного) a-Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 10...10 см ) и возрастает проводимость. Такой a-Si:H можно легировать традиционными донорными и акцепторными примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, и изменять в широких пределах ее абсолютную величину. В таком материале можно создавать и ;?- -пе-реходы. Короче говоря, гидрированный кремний приобретает свойства нормального полупроводникового материала. Позднее оказалось, что аналогичного водороду эффекта можно добиться при введении в пленку аморфного кремния атомов фтора.

К настоящему времени синтезирован еще ряд тетраэдрически координированных гидрированных аморфных полупроводников, также обладающих очень интересными элекфическими и оптическими свойствами: a-Sii.C:H; a-Si.Ge; Н, a-Sij.Sn; Н, a-Si, 4; Н, а-С:Н. К числу принципиальных преимуществ использования этих материалов в электронной технике относятся их малая стоимость и сравнительная простота получения однородных по толщине тонкопленочных структур (в том числе многослойных, квантоворазмерньгх) при низких температурах осаждения на самых разнообразных и дешевых подложках очень большой площади (> 1 м), а также их специфические полупроводниковые свойства, которые можно изменять в широких пределах, варьируя состав пленки.

Наиболее распространенным методом получения гидрированных полупроводников является разложение летучих соединений соответствую-

размерах более 20 А нанокристаллы все еще остаются непрямозонным полупроводником со всеми вытекающими отсюда нежелательными последствиями. Тем не менее интерес к нанокристаллам Si не ослабевает Если удастся решить проблему надежной пассивации поверхности нанокристаллов, то можно рассчитывать на создание на их основе светоизлу-чающих диодов с внешней квантовой эффективностью ~ 1 %. Такие излучатели несомненно будут представлять практический интерес.

Что касается волноводов, то здесь отлично себя зарекомендовали структуры Si/Si02, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов, Д = 2, что обеспечивает условия надежного оптического офаничения. В таком волноводе свет распространяется по тонкому слою монокристаллического кремния, который прозрачен для излучения с длиной волны = 1,3...1,55 мкм. Для изготовления волноводной композиции используется метод прямого соединения пластин в сочетании со Smart-Cut -nponeccoM. Данная водно-водная структура обеспечивает надежную связь (с минимальными оптическими потерями) с излучателем и фотоприемником и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к микроволноводным композициям для монолитных оптоэлекфонных устройств [29].

Наиболее приемлемыми материалами для детекторов излучения на длине волны 1,3...1,5 мкм являются: Ge, твердые растворы SiGe с высоким содержанием германия, напряженные сверхрешетки в системе SiGe/Si, а также GaAs [29]. Как уже отмечалось выше, выращивание на кремниевой подложке многослойных гетероструктур с достаточно совершенными рабочими монокристаллическими слоями этих материалов не вызывает принципиальных затруднений.

Таким образом, в настоящее время созданы необходимые предпосылки для успешной реализации монолитньгх оптоэлектронных устройств на кремниевой основе, удовлетворяющих требованиям достаточно хорошего совмещения с кремниевыми ИС.



щих элементов (SiH4, GeH4, 4, NH3 и др.) в ВЧ плазме тлеющего разряда. Процесс проводится при температурах 250...350°С и давлении в рабочем реакторе (1... 100) Па. В качестве подложек используются пластины и ленты из обычного термостойкого, а также кварцевого стекла и из нержавеющей стали. Легирование материала осуществляют введением в газовую среду фосфина (РН3) или диборана (В2Н) непосредственно в процессе осаждения пленок. Электрическая активность вводимых легирующих примесей в аморфных гидрированных полупроводниках существенно меньше 100 %. Процесс доведен до уровня широкого использования и при получении многослойных приборных структур осуществляется в многокамерном варианте, практически непрерывно.

В последние годы все большее распространение получают традиционные методы осаждения из газовой фазы, с помощью которьгх удается существенно увеличивать скорость роста пленок, по сравнению с методом тлеющего разряда. В применении к a-Si:H, процесс осуществляют путем термического разложения SiH4, SijH, Si3Hg при температурах 300...500 °С. Неплохие результаты дает и гидрирование аморфных пленок, напыленньгх в условиях высокого вакуума путем имплантации в них ионов водорода, а также метод реактивного распьшения.

Содержащиеся в a-Si:H атомы водорода образуют конфигурации типа =Si-H, =Si-H2, -Si-Нз. Соотношение этих конфигураций в пленке в значительной степени зависит от условий выращивания. Полная концентрация водорода в пленках a-Si:H, полученных в плазме тлеющего разряда, колеблется в пределах 7...12% (ат.). При нагреве пленок до температур, превышающих 300 °С, происходит частичная потеря водорода. Оборванные связи в a-Si:H могут находиться в трех зарядовых состояниях: нейтральном, положительном и отрицательном. При этом в нелегированных пленках концентрация заряженных дефектов в 3-4 раза больше, чем концентрация нейтральных. При введении в пленки атомов германия, углерода или азота картина дефектообразования существенно усложняется за счет появления оборванных связей между атомами различных элементов, образующих материал. При этом концентрация дефектов в пленке возрастает с увеличением содержания третьего элемента.

Аморфные гидрированные полупроводники являются достаточно высо-коомными материалами. Проводимость нелегированного a-Si:H при комнатной температуре составляет (10 ...10 ) Ом см . Легирование фосфором или бором позволяет увеличивать проводимость до 10 Ом-см . При температурах, превышающих 250 К, проводимость определяется пе-


реносом электронов или дырок по делокализованным состояниям зоны проводимости или валентной зоны.

Нелегированный a-Si:H имеет большую фотопроводимость в видимой области спектра. Фоточувствительность (отношение фотопроводимости к темновой проводимости) составляет 10 *... 10. При легировании фотопроводимость возрастает, а фоточувствительность уменьшается. Аналогичные закономерности наблюдаются и в твердых растворах на основе a-Si:H, которые обладают меньшей фотопроводимостью и фоточувствительностью, чем сам гидрированный кремний. При температурах выше комнатной основными центрами рекомбинации неосновных носителей заряда в аморфных гидрированных полупроводниках являются оборванные связи, концентрация которых в твердых растворах всегда больше, чем в a-Si:H. Ширина оптической запрещенной зоны в аморфных гидриро-ванньгх полупроводниках возрастает по мере увеличения концентрации в них водорода, и для a-Si:H она составляет 1,6...1,8эВ. Введение в пленки a-Si:H германия позволяет уменьшить эту величину до 1,0 эВ, а введение углерода и азота увеличить ее до значений 2,5...3,2эВ и 5 эВ соответственно.

При освещении гидрированных полупроводников белым светом наблюдаются существенные изменения их электрических свойств (эффект Стеб-лера - Вронского). К аналогичным последствиям приводит и инжекция в пленки неравновесных носителей. Эти изменения обусловлены в основном изменением плотности состояний в щели подвижности из-за увеличения концентрации оборванных связей. Исходные параметры пленок удается восстановить путем их отжига при температурах 150...200°С. Природа ответственных за эти явления метастабильных состояний пока до конца неясна, и в ее понимание упирается упирается решение проблемы повышения дефадационной устойчивости приборов, создаваемых на основе гидрированных полупроводников.

Интересными новыми материалами в фуппе гидрированных некристаллических полупроводников являются так называемые микрокристаллические пленки. Наиболее изученным представителем этой достаточно специфической категории пленочных материалов является микрокристаллический кремний - iC-Si:H. Электрофизические и оптические свойства }j.c-Si:H существенно отличаются от соответствующих свойств аморфного гидрированного кремния, что обусловлено, в первую очередь, специфическими особенностями его структуры. Микрокристаллический кремний состоит из аморфной и кристаллической фазы. Последняя представлена микрокристаллитами, размеры которьгх колеблются в пре-



Проводимость пленок цс-81:Н изменяется в широких пределах в зависимости от условий их получения и, соответственно, от относительного содержания и размеров присутствующих в них микрокристаллитов, а также от уровня легирования пленок. Проводимость нелегированных пленок jic-Si:H с параметром Х, близким к единице, при комнатной температуре, составляет 10...10 Oм-cм-. Путем легирования фосфором или бором проводимость может быть увеличена до 1 Ом см . Величина дрейфовой подвижности электронов и дырок в нелегированном jic-Si:H изменяется в пределах 0,5...3 смВ с , в зависимости от величины Xq. Температурная зависимость проводимости пленок в области температур, превышающих 250...270 К, носит активационный характер. Энергия активации зависит от уровня легирования и изменяется в пределах 0,1...0,6эВ. При температурах ниже 250 К проводимость с понижением температуры изменяется существенно слабее. Колоннообразная структура пленок является причиной анизотропии их электрических и фотоэлектрических параметров. Оптические свойства пленок (iC-Si:H, и прежде всего спектральная зависимость коэффициента поглощения, также являются весьма чувствительной функцией Х и изменяются в пределах, ха-рактерньгх для a-Si:H (при Х<к I) и кристаллического кремния (Х ~ 1). В отличие от пленок a-Si:H, в пленках цс-81:Н не наблюдаются свето-индуцированные изменения электрических и фотоэлектрических параметров. Благодаря своим специфическим электрическим и оптическим свойствам микрокристаллический кремний является хорошим дополнением к a-Si:H при создании многослойных пленочньгх структур различного приборного применения. В значительной степени этому способствует и совместимость технологий получения этих материалов.

Несмотря на сравнительно короткую историю, гидрированные полупроводники, и прежде всего пленки a-Si:H и многослойные структуры (в том числе гетероструктуры) на их основе, уже вышли на рельсы достаточно широкого практического использования. Солнечные батареи, фотоприемники, координатно-чувствительные детекторы ионизирующих излучений, тонко пленочные полевые транзисторы, высокоскоростные пространственные модуляторы света, фоточувствительные слои в электрофотографии и лазерных принтерах, мишени видиконов, светодиоды -вот далеко не полный перечень приборных применений гидрированного кремния и родственных ему материалов. Использование гидрированных полупроводников в современной электронной технике расширяется с каждым годом. Наиболее многообещающим направлением эффективного использования этих материалов являются приборы регистрации и

делах от десятков до сотен нанометров. Соотношение фаз, размеры и характер распределения отдельных кристаллитов, а соответственно и основные свойства пленок, в значительной степени определяются условиями их получения.

Наиболее распространенными методами получения пленок цс-81:Н являются: плазмохимическое осаждение из парогазовой смеси SiH и Щ- осаждение из газовой фазы путем термического разложения SiH и твер-дофазовая кристаллизация аморфного материала. Как и в случае пленок a-Si:H, наиболее распространен метод плазмохимического осаждения. При этом, для увеличения доли кристаллической фазы и размера отдельных кристаллитов, существенно уменьшают объемную долю SiH4 в парогазовой смеси (< 5 %) и увеличивают температуру осаждения до 350...400°С. Увеличению размеров микрокристаллитов способствует и повышение частоты возбуждения плазменного разряда до 50...120 МГц. Более благоприятные условия для контролируемого увеличения доли микрокристаллической фазы в пленке обеспечивает метод осаждения из газовой фазы путем термического разложения силана. Б данном случае постепенное увеличение содержание водорода в парогазовой смеси приводит к монотонному увеличению доли микрокристаллической фазы в осаждаемой пленке.

Для изучения структурных особенностей микрокристаллических пленок кремния использовались различные методы: рентгеновская дифрак-тометрия; просвечивающая электронная микроскопия; сканирующая туннельная микроскопия; эллипсометрия; рамановское рассеяние; инфракрасная спектроскопия; измерение электронного парамагнитного резонанса. Б результате установлено, что пленки nc-Si:H имеют неоднородную структуру и характеризуются наличием кремниевых микрокристаллитов, аморфного a-Si:H и пор. В зависимости от условий получения и последующей термообработки объемная доля кристаллической фазы в пленке может изменяться от нескольких процентов до величины, близкой к 100 %. Содержание водорода в цс-81:Н колеблется в пределах 3...15% (ат.). Микрокристаллиты формируют в пленках колоннообразные кластеры диаметром З0...100нм, располагающиеся перпендикулярно поверхности подложки. Внутри микрокристаллитов водород отсутствует. Он в основном располагается на поверхности кристаллитов, а также в аморфной фазе, пассивируя оборванные связи. Дефекты типа оборванных связей расположены, в основном, на поверхности микрокристаллических колонн. Атомы водорода присутствуют в пленках преимущественно в конфигурации SiHj.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка