WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Особенности электропроводности легированных пленок -Si : H с нанокристаллами кремния ¶ © С.А. Аржанникова, М.Д. Ефремов, Г.Н. Камаев, А.В. Вишняков, В.А. Володин Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 21 июня 2004 г. Принята к печати 12 июля 2004 г.) Проведено исследование электрофизических свойств нелегированных и намеренно легированных фосфором пленок -Si : H, содержащих нанокристаллы кремния. Нанокристаллы кремния формировались при твердофазном фазовом переходе в результате наносекундного воздействия излучения эксимерного XeCl-лазера на аморфную пленку. Образование нанокристаллов в нелегированных пленках сопровождалось увеличением проводимости на 2–3 порядка с одновременным уменьшением эффективной энергии активации проводимости с 0.7 до 0.14 эВ. Размер нанокристаллов составлял величину от 2 до 10 нм в зависимости от режимов лазерных обработок, что было определено исходя из данных комбинационного рассеяния света и высокоразрешающей электронной микроскопии. На основе расчета энергий локализованных состояний электронов и дырок в нанокристаллах получена температурная зависимость уровня Ферми. Показано, что при понижении температуры уровень Ферми стремится к энергии состояний в нанокристаллах кремния в широком интервале концентраций легирующей примеси. Привязка уровня Ферми к состояниям в нанокристаллах является следствием их многозарядности. Обнаружено, что при лазерных обработках легированных аморфных пленок кремния происходит эффективная трансформация фосфора в электрически активное состояние, что является актуальным для создания мелких p-n-переходов и контактов к аморфным пленкам кремния.

1. Введение центрами, будут влиять на проводимость пленок наряду с мелкой примесью в электрически активном состоянии.

В настоящее время широкоформатная микроэлектро- Задачей данной работы является сопоставление элекника является одной из наиболее динамично разви- тропроводности легированных и нелегированных пленок вающихся областей электроники, которая определяет аморфного кремния после воздействия на них нанопрогресс в создании плоских матричных устройств секундного ультрафиолетового излучения эксимерного отображения информации, а в последнее время и сен- лазера. С этой целью проведены исследования струксорных устройств [1]. Основным элементом управле- туры и проводимости пленок наноструктурированного ния активных матриц (АМ) является тонкопленочный кремния, полученных в результате импульсного лазертранзистор (ТПТ) на основе аморфного кремния. Все ного воздействия на пленки аморфного кремния. Также возрастающие требования к параметрам ТПТ опреде- проведены расчеты по влиянию нанокристаллов кремния на положение уровня Ферми в легированных пленках ляют необходимость перехода к использованию пленок поликремния в качестве базового материала, что мо- аморфного кремния, проведена оценка значений проводимости.

жет быть достигнуто при использовании эксимерных лазеров для кристаллизации пленок аморфного кремния на нетугоплавких подложках [2,3]. Кроме того, при 2. Эксперимент создании ТПТ на основе пленок аморфного кремния весьма актуальна задача формирования сток–истоковых Исследуемые пленки -Si : H были осаждены на стекобластей. Для того чтобы сформировать p-n-переходы лянные подложки Corning 7059 методом плазмохимив сток–истоковых областях, можно использовать изческого осаждения при температуре 230C. Толщина лучение эксимерных лазеров для активации мелкой пленок составляла 100 нм, содержание водорода — окопримеси. Преимуществом такого способа является как ло 20%. Для изучения эффекта активации примеси лаформирование мелких p-n-переходов, так и возможзерными обработками в часть образцов имплантировали ность совмещения кристаллизующих обработок с опеионы фосфора дозой 2 · 1013 см-2 с энергией 60 кэВ.

рацией формирования сток–истоковых областей. ОднаЛазерные обработки проводились с использованием ко известно, что при низкоэнергетических лазерных XeCl-эксимерного импульсного лазера с длиной волны обработках в пленке аморфного кремния образуются излучения 308 нм. Плотность энергии лазерного излученанокристаллические включения [4,5], которые могут ния в импульсе варьировалась от 75 до 100 мДж/см2, что иметь дискретный энергетический спектр и могут вести меньше пороговой плотности, необходимой для возниксебя как многозарядные центры. Можно ожидать, что нановения макроскопических областей расплава пленки нокристаллы кремния, являясь электрически активными аморфного кремния [6]. Образцы обрабатывались как ¶ E-mail: efremov@isp.nsc.ru одиночными импульсами, так и сериями до 1000 импульОсобенности электропроводности легированных пленок -Si : H с нанокристаллами кремния сов с малой плотностью энергии для создания большей концентрации нанокристаллов.

Изучение структуры полученных пленок проводилось по спектрам комбинационного рассеяния света (КРС) и по данным высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ). Исследование электрофизических свойств пленок проводилось на основе измерений температурных зависимостей темновой проводимости полученных структур.



3. Результаты и обсуждение 3.1. Проводимость пленок гидрогенезированного аморфного Рис. 1. Температурная зависимость проводимости: 1 — исходкремния с нанокристаллами ной пленки -Si : H, 2 и 3 — пленок -Si с нанокристаллами размером 2 нм, введенными лазерными обработкаНа рис. 1 приведены температурные зависимости проми 80 мДж/см2 с количеством импульсов 100 и 500 соответводимости исходной пленки -Si : H (кривая 1) и пленок, ственно.

обработанных эксимерным лазером (ELA) в режиме 80 мДж/см2 с количеством импульсов 100 (кривая 2) и 500 (кривая 3). Эффективная энергия активации проводимости исходного образца составляет 0.7 эВ, что соответствует обычным значениям для аморфных гидрогенизированных пленок кремния. Проводимость при комнатной температуре была равна 1.4 · 10-10 Ом-1 · см-1.

После обработок излучением эксимерного лазера с плотностью энергии 80 мДж/см2 с количеством импульсов 100 наклон зависимости проводимости изменяется при температурах ниже 285 K, и энергия активации становится равной 0.17 эВ. Наклон проводимости пленки после обработки дозой 80 мДж/см2 500 импульсов изменился во всем диапазоне температур, и энергия активации проводимости для таких пленок составляРис. 2. Спектры комбинационного рассеяния света для:

ет 0.14 эВ. Данные КРС показывают (рис. 2), что при 1 — исходной пленки -Si : H, 2 и 3 — пленок -Si с нанокритакой плотности энергии размер нанокристаллов составситаллами со средним размером 2 нм, введенными лазерными ляет в среднем 2 нм, а увеличение числа импульсов обработками 80 мДж/см2 с количеством импульсов 100 и приводит к увеличению числа нанокристаллов. Общее соответственно. Вставка — данные ВРЭМ.

содержание кристаллической фазы по данным КРС остается менее 1% для образца, температурная зависимость проводимости которого отражена кривой 2 на рис. 1.

Для случая кривой 3 содержание кристаллической фазы составляет 35%. Оценки содержания кристаллической фазы и средних размеров кристаллитов были сделаны исходя из данных КРС (рис. 2) в соответствии с методикой, изложенной в работах [7–10]. По данным КРС и ВРЭМ увеличение плотности энергии в импульсе приводит к увеличению среднего размера формируемых нанокристаллов. Так, при повышении плотности энергии до 100 Дж/см2 средний размер вводимых нанокристаллов увеличивается и составляет 8 нм.

Можно предположить, что состояния, связанные с нанокристаллами кремния, могут влиять как на положение уровня Ферми, что приводит к изменению проводимости по распространенным состояниям, так и непосредствен- Рис. 3. Температурная зависимость проводимости: 1 —исходной пленки -Si : H, 2 — пленки -Si : H, имплантированной но участвовать в транспорте заряда по прыжковому фосфором. 3 — пленки -Si : H, имплантированной фосфором механизму. В этом контексте нанокристаллы являются и обработанной эксимерным лазером.

как бы легирующими центрами [11].

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 474 С.А. Аржанникова, М.Д. Ефремов, Г.Н. Камаев, А.В. Вишняков, В.А. Володин фосфором пленок после лазерных обработок. Введение примеси и последующие лазерные обработки изменяют проводимость пленок на несколько порядков. Причем с повышением плотности энергии в импульсе эффект более значителен. Значение проводимости при комнатной температуре повышалось до 10-6 Ом-1 · см-1 (кривая на рис. 4, b).

Таким образом, в эксперименте после лазерных обработок наблюдается увеличение проводимости пленок аморфного гидрогенизированного кремния, как легированных, так и нелегированных, с одновременным уменьшением эффективной энергии активации. Сопоставление экспериментальных данных для обработанных в одних и тех же режимах легированных и нелегированных пленок позволяет сделать вывод о том, что при лазерных обработках происходит переход атомов фосфора в электрически активное состояние. Несмотря на схожесть результатов при внедрении мелкой примеси и нанокристаллов, механизмы роста проводимости могут быть различны.

Для того чтобы выявить влияние нанокристаллов на положение уровня Ферми в аморфных пленках кремния, были проведены соответствующие расчеты.

3.2. Расчет влияния нанокристаллов на положение уровня Ферми в легированных пленках кремния Рис. 4. Температурная зависимость проводимости пленок Для оценки влияния нанокристаллов на проводимость -Si : H, обработанных 100 импульсами эксимерного лазера пленок гидрогенизированного аморфного кремния и на с плотностью энергии, мДж/см2: a — 80, b — 100. Криэнергию активации проводимости был проведен расчет вая 2 — пленка, имплантированная фосфором.

положения уровня Ферми в зависимости от степени легирования пленки. В расчетах учитывались состояния в зонах, примесные энергетические состояния, а также плотность состояний в запрещенной зоне, свойственная Были проведены эксперименты, направленные на исаморфному гидрогенезированному кремнию [12]. Вклад следование активации примеси при лазерных обработках нанокристаллов учитывался введением в расчет многои соответствующего изменения проводимости обрабозарядных центров, зарядовое состояние которых зависит танных пленок. На рис. 3 сравниваются температурные от числа электронов, находящихся в нанокристалле.

зависимости проводимости исходной аморфной пленки, пленки, облученной ионами фосфора, и пленки с фос- Расчет энергетического спектра нанокристаллов проведен в зависимости от их размера. Нанокристалл модефором, прошедшей последующую лазерную обработку.

лировался сферической потенциальной ямой с разрывом После имплантации фосфора проводимость пленок при потенциала и массы на границе. Хорошо известно, что комнатной температуре возрастает на 2 порядка, а энергия активации проводимости уменьшается с 0.7 задача о сферической потенциальной яме сводится к до 0.18 эВ. Оценка концентрации внедренного фосфора одномерной задаче [13], а для орбитального момента, дает значение 2 · 1018 см-3, однако значительная его равного нулю, можно воспользоваться решением задачи часть остается в электрически неактивном состоянии. об одномерной потенциальной яме:

Последующая лазерная обработка с плотностью энерd2(r) 2m гии 80 мДж/см2 1000 импульсов увеличивает проводи+ E - U(r) (r) =0, мость пленок и уменьшает энергию активации проводиdr2 мости до 0.15 эВ. По-видимому, увеличение проводимогде (r)/r определяет радиальную часть волновой функсти с одновременным уменьшением энергии активации свидетельствует о том, что положение уровня Ферми ции. Должно выполняться условие (r) =0 при r = изменяется за счет перехода части внедренного фосфора с тем, чтобы обеспечить конечность волновой функции в электрически активное состояние. в начале координат, выполнение которого может быть На рис. 4, a и 4, b показаны температурные зави- обеспечено бесконечно высокой стенкой потенциала при симости проводимости облученных и необлученных r = 0. Роль ширины ямы выполняет радиус нанокристалФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Особенности электропроводности легированных пленок -Si : H с нанокристаллами кремния Плотность заряда, находящегося на многозарядных центрах:

Nqmq(T, E) =Nmq · Qmq(T, EF), где Nmq — концентрация многозарядных центров (нанокристаллов), а Qmq(T, EF) — заряд многозарядного центра, равный Qmq(T, EF) = q · f mq (T, EF), j j j где f mq (T, EF) — функция распределения, соответствуj ющая j-му состоянию:

j·EF-Ej g · exp j kT f mq (T, EF) =.

j J j·EF-Ej g · exp j kT j=В данном выражении Ej — энергия многоэлектронного центра с j электронами на нем, g — кратность j вырождения центра с j электронами. Если известны энергии k для перехода центра из j в j + 1 состояние, то энергия j электронов в нанокристалле Ej может быть найдена как сумма энергий одноэлектронных состояний, значения которых определены в одной шкале координат:

j Ej = k.

Рис. 5. Энергетический спектр электронов (a) и дырок (b) в k=нанокристалле в матрице -Si.

В расчетах концентрация многозарядных центров — нанокристаллов — составляла Nmq = 1017 см-3. Уровни энергий задавались для нанокристаллов диаметром 8 нм.

ла, а вид потенциала следующий:

Распределение квазинепрерывных энергетических со при r = 0 стояний в запрещенной зоне задавалось следующим U(r) = 0 при 0 < r < R. образом. Пусть Ns() — плотность числа состояний в U0 при r R единичном интервале энергий, тогда плотность электронов, захваченных на эти состояния, будет равна Зависимости энергетического спектра электронов и Ec дырок от размера нанокристаллов, помещенных в матрицу -Si, приведены на рис. 5, a и 5, b соответственно.

ns = f (E)Ns (E)dE.

e Вклад нанокристаллов в проводимость учитывается Ev введением в расчеты многозарядных центров с уровнями энергии в запрещенной зоне, соответствующими дис- Плотность заряда на состояниях в запрещенной зоне кретным уровням в нанокристалле. Энергетические со- будет зависеть от исходного заряда центров, приводящих стояния нанокристалла нумеровались от 0 до j. Индекс 0 к появлению состояний в запрещенной зоне, и числа соответствует положению уровня Ферми ниже любого захваченных электронов:

квантового уровня в нанокристалле, т. е. отсутствию Ec Ec валентных электронов на квантово-размерных уровнях s = qs0 · Ns (E)dE + qe f (E)Ns(E)dE, энергии. В этом случае полный заряд нанокристалла q0 e положителен, а его величина определяется максимальEv Ev ным числом дырок, помещающихся в нанокристалл.

где qs0 — заряд состояния в запрещеной зоне без элекИндекс j тем самым соответствует числу валентных трона. Донорные состояния без электрона имеют заряд электронов, находящихся в нанокристалле, а его заплюс, а акцепторные — нуль. Плотность состояний в ряд q в j-м состоянии определяется:

j запрещенной зоне определялась суммарной плотностью q = q0 - j · e. для донорных и акцепторных состояний.

Pages:     || 2 |





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.