WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Модель квантовых ям и край оптического поглощения в структурно-неоднородных сплавах на основе a-Si : H © Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, Д.А. Стряхилев, Е.М. Соколов Московский институт электронной техники, 103498 Москва, Россия (Получена 10 июня 1997 г. Принята к печати 2 октября 1997 г.) Мы исследовали микроструктуру и край оптического поглощения пленок a-Si : H и сплавов a-SiNx : H (x = 0.0-0.72, полученных разложением в высокочастотном тлеющем разряде разбавленных водородом моносилана и смеси SiH4 + NH3 соответственно. Структурно-неоднородные пленки с оптоэлектронными характеристиками ”приборного качества” были получены при повышенных скоростях роста (до 8 /c).

Как установлено методами атомной силовой микроскопии и спектроскопии ИК поглощения, характерным элементом их микроструктуры являются островки диаметром 500, границы которых образованы скоплениями атомов водорода (в случае a-Si : H) или водорода и азота (в случае a-SiNx : H). При этом оптическая ширина запрещенной зоны a-Si : H (a-SiNx : H) определяются концентрациями связей SiH (SiN) в объеме островков и не чувствительна к изменению содержания водорода (азота) на границах островков.

Этот результат находит свое объяснение в рамках модели квантовых ям, учитывающей характерные размеры микроструктуры, образованной атомами водорода либо азота.

1. Введение сти материала, — модель квантовых ям, предложенная Х. Бродски [5]. Количественные расчеты, сделанные на Поскольку гидрированный аморфный кремний основе этой модели [6,7], позволили получить хорошее (a-Si : H) и сплавы на его основе являются весьма согласие параметров распределения электронных состопривлекательными материалами для создания яний вблизи краев зон и в запрещенной зоне с экспецелого ряда электронных устройств (солнечных риментальными результатами, однако они не учитывали элементов, тонкопленочных полевых транзисторов, возможность существования в a-Si : H и родственных фотоприемников, светоизлучающих приборов и др.), их сплавах различных видов микроструктуры, образованной физические свойства были предметом многочисленных такими атомами, как водород, углерод, азот и т. д.

исследований. Особое внимание исследователей В настоящей работе мы исследовали взаимосвязь меуделялось взаимосвязи между структурными особенножду величиной оптической ширины запрещенной зоны и стями и распределением электронных состояний. Это микроструктурой a-Si : H и a-SiNx : H и привели описание объясняется как стремлением сформировать наиболее результатов в рамках модели квантовых ям, модифицироподробное описание (”оптимального материала” для ванной для того, чтобы учесть характерные размеры миважнейших практических приложений (солнечные кроструктуры, образованной атомами водорода и азота.

элементы, тонкопленочные полевые транзисторы, различные фотоприемные устройства), так и тем 2. Эксперимент обстоятельством, что a-Si : H вследствие его доступности и возможности управления свойствами материала в Пленки a-Si : H были получены высокочастотным (ВЧ) процессе получения является чрезвычайно удобным разложением моносилана, разбавленного водородом в объектом для изучения закономерностей формирования соотношении 10%SiH4 + 90%H2. Частота, на которой электронного спектра в аморфных полупроводниках.

возбуждался тлеющий разряд, составляла 13.56 МГц.

Как было установлено в ряде работ [1–4], существует Для того чтобы получить пленки с различным сонесколько факторов, которые влияют на положение и держанием водорода и различной микроструктурой, мы форму края оптического поглощения в a-Si : H. Наиболее проводили осаждение при разных сочетаниях мощности важные из них — структурный беспорядок [1,2], проявляразряда, давления и расхода газа, которые изменялись ющий себя в искажении длин и углов связей в аморфной кремниевой сетке по сравнению с идеальной алмазо- в следующих пределах: удельная мощность ВЧ разряда, W = 0.10 0.18 Вт/см2; давление, P = 1 2.5 мм.рт.ст.;

подобной структурой, и влияние атомов другого сорта, расход газа, Q = 30 100 см3/мин. Температура подтаких как водород, углерод, азот и др. [3,4]. Однако, как ложки поддерживалась на постоянном уровне 300C.

было установлено, зависимость формы края оптического поглощения от этих обусловленных структурой факто- Эти технологические режимы обеспечивали осаждение пленок толщиной 0.8–1.4 мкм при скорости роста ров все же не в состоянии описать все многообразие существующих экспериментальных данных. 3.3–7.3 /с.

Наиболее простая качественная модель, позволяю- Образцы a-SiNx : H были получены разложением смещая воспроизвести основные особенности электронного си (10%SiH4 + 90%H2 + NH3). Величины темпераспектра a-Si : H исходя из композиционной неоднородно- туры подложки, давления и удельной мощности ВЧ 2 532 Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, Д.А. Стряхилев, Е.М. Соколов (13.56 МГц) разряда составляли 220C, 0.38 мм.рт.ст.

и 0.3 Вт/см2 соответственно. Осаждение проводилось при различных значениях парциального давления аммиака (0–0.03 мм.рт.ст.), что обеспечивало получение пленок a-SiNx : H состава (x = 0-0.72).

В качестве подложек использовались пластины из стекла и монокристаллического Si (КДБ-10).

Морфология поверхности пленок изучалась с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) производства фирмы NT-MDT (Россия). Кантилевер микроскопа с радиусом кривизны острия 20 нм был изготовлен из нитрида кремния. Измерения проводились в контактном режиме с разрешением 8–25 и скоростью сканирования 100000–300000 /с [8].

Состав пленок и локальные конфигурации, образованные атомами водорода и азота, определялись методом инфракрасной (ИК) спектроскопии. ИК спектры пленок на монокристаллических кремниевых подложках измерялись на двухлучевом спектрометре SPECORD-M80.

Расчет состава пленок проводился согласно методике, Рис. 1. Типичное изображение поверхности пленки a-Si : H, предложенной в работе [9]. Полоса поглощения с полученное методом атомной силовой микроскопии.

центром 630 см-1 использовалась для оценки концентрации связанного водорода, а разложение полосы с главным пиком при 2000 см-1 на два пика с частотой 2000 и 2100 см-1 позволило оценить так называемый микроструктурный параметр R = I2100/(I2000 + I2100), где I2000 и I2100 обозначают интегралы поглощения, взятые по соответствующим пикам. Значения концентрации водорода в форме одиночных и кластерированных связей SiH были рассчитаны исходя из общего содержания водорода и величины микроструктурного параметра R [10].

ИК спектры сплавов a-SiNx : H согласно идентификации, приведенной в работах [11,12], содержали особенности, соответствующие связям SiH, SiN и NH. Для определения общей концентрации азота в пленках использовались интенсивности пиков при 850 и 3350 см-1 [13].

Спектры оптического пропускания пленок a-Si : H и a-SiNx : H были измерены на двухлучевом спектрофотометре SPECORD-M40 в диапазоне длин волн 300–900 нм. По этим данным рассчитывались спектры поглощения образцов, соответствующие межзонным переходам, и методом Тауца оценивались значения оптической ширины запрещенной зоны.

Рис. 2. Зависимости оптической ширины запрещенной зоны, 3. Результаты EG, от общего содержания водорода [H] (a), а также концентраций одиночных (b) и кластерированных (c) связей SiH.

Пленки a-Si : H. Типичные изображение поверхности пленки a-Si : H полученное в атомном силовом микроскопе, показано на рис. 1. Ясно видно, что пленка имеет неоднородную структуру, в которой можно различить кластерированных ([SiHx]) связей SiH приведены на островки и межостровковые границы. Характерные разрис. 2. Как видно, монотонная зависимость наблюдается меры этих островков составляют от 300 до нескольких только на рис. 2, b, где EG показана как функция [SiH].

тысяч.

В то время как на рис. 2, a, так и на рис. 2, c, где Зависимости оптической ширины запрещенной зоны, EG, от общего содержания водорода, [H], а также за- приведены зависимости EG от [H] и [SiHx], корреляция висимости EG от концентраций одиночных ([SiH]) и между сопоставляемыми величинами отсутствует.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Модель квантовых ям и край оптического поглощения в структурно-неоднородных сплавах... связей SiH с увеличением содержания азота (рис. 4).

Этот факт вместе с присутствием сильного пика при 850 см-1 (рис. 3) означает, что для исследованных пленок a-SiNx : H характерна такая локальная структура, где атомы азота и водорода связаны с одним и тем же атомом кремния [12].

Зависимость оптической ширины запрещенной зоны от содержания азота в пленках a-SiNx : H приведена на рис. 5. Для сравнительно небольшой концентрации азота (x 0.17) оптическая ширина запрещенной зоны в пределах погрешности ее определения не отличается от величины, соответствующей пленке a-Si : H, полученной при тех же значениях мощности разряда, давления и температуры подложки (1.87 ± 0.02 эВ). В то же время для x = 0.53-0.72 EG увеличивается от 2.11 до 2.72 эВ.

Рис. 3. Полосы ИК поглощения, обусловленные продольными Микроструктура пленок a-Si : H и a-SiNx : H, полуколебаниями связей SiN в сплавах a-SiNx : H с различным ченных в аналогичных технологических условиях, уже содержанием азота. [N]/[Si]: 1 — 0.13, 2 — 0.17, 3 — 0.53, 4 — 0.62, 5 — 0.72. была исследована нами ранее с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Описание методики эксперимента и сами изображения, полученные методом ПЭМ, приведены в работе [14]. Как для пленок a-Si : H, такидля a-SiNx : H наблюдается неоднородная структура с отчетливо оформленными ”островками”. При этом характерные размеры (400–500 ) и форма островков подобны тем, что наблюдаются на изображении поверхности, полученном методом АСМ (рис. 1). Как было установлено, островки имеют более высокую плотность и образованы преимущественно связями Si–Si, в то время как водород концентрируется преимущественно по границам этих островков, где образует полигидридные конфигурации и кластерированные связи SiH. Таким образом, в случае a-Si : H величина [SiH] дает концентрацию связанного водорода в объеме островков, в то время как [SiHx] должна быть приписана водороду на внутренних границах.

Модификация микроструктуры в сплавах a-SiNx : H Рис. 4. Полосы ИК поглощения, обусловленные продольными промежуточного состава (x = 0.13; 0.17) была связана колебаниями связей SiH в сплавах a-SiNx : H с различным содержанием азота. [N]/[Si]: 1 — 0, 2 — 0.13, 3 — 0.17, прежде всего с уменьшением содержания водорода на 4 — 0.53, 5 — 0.62, 6 — 0.72.

Пленки a-SiNx : H. Как было установлено в [12], в сплавах a-SiNx : H возможны несколько вариантов локального окружения связей SiN с различными частотами продольных колебаний. Соответствующие полосы ИК поглощения приведены на рис. 3. В спектрах всех образцов доминирует сильный симметричный пик с волновым числом 850 см-1. В спектрах двух образцов с минимальным содержанием азота (x = 0.13 и x = 0.17) этот пик является единственной особенностью, наблюдаемой в диапазоне 700–1000 см-1. Увеличение концентрации азота сопровождается появлением особенностей при и 970 см-1, соответствующих атому азота в окружении трех атомов Si и кластерам Si4N9, что приводит к изменению формы полосы и делает ее асимметричной.

Для сплавов a-SiNx : H наблюдается также увеличение Рис. 5. Зависимость оптической ширины запрещенной зоны частоты главного пика полосы продольных колебаний от содержания азота в сплавах a-SiNx : H.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 534 Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, Д.А. Стряхилев, Е.М. Соколов внутренних границах. Принимая во внимание простран- и характера его распределения. Поскольку положение ственную корреляцию между связями SiH и SiN, а также края валентной зоны намного более чувствительно к упомянутые выше результаты ПЭМ, мы должны припи- содержанию водорода в a-Si, чем положение края зоны сать полосу ИК поглощения с частотой 850 см-1 (про- проводимости, мы ограничимся рассмотрением поведедольные колебания связей SiN) и сдвинутый в сторону ния среднего значения энергии стационарного состояния высоких частот пик, соответствующий продольным коле- для дырок.

баниям связей SiH, атомам N и H, находящимся вблизи Чтобы рассмотреть зависимость оптической ширины внутренних границ. В то же время за поглощение при запрещенной зоны от содержания водорода, необходимо и 970 см-1 ответственны атомы азота, расположенные в рассчитать следующую величину:

объеме островков. Таким образом, связи SiN в сплавах с невысоким содержанием азота (x = 0.13 и 0.17) расположены преимущественно по границам зерен, в то EV (x) = EV(V ) fv(V, x) dV, (1) время как в сплавах с более высоким содержанием азота связи SiN появляются также и в объеме материала.

где EV (x) — энергия стационарного уровня дырок, усредненная по ансамблю потенциальных ям, EV(V ) — 4. Модель квантовых ям энергия стационарного состояния, соответствующая объему V потенциальной ямы, fv(V, x) — плотность вероятСхема энергетических зон a-Si : H, соответствующая ности для распределения потенциальных ям, зависящая модели квантовых ям, показана на рис. 6. Согласно [5], от концентрации водорода x. Уравнение (1) означает, материал состоит из широкозонной фазы, соответствучто чувствительность оптической ширины запрещенной ющей областям с повышенным содержанием водорода зоны к изменению содержания водорода в пленке зада(a-SiHx), и узкозонной фазы, представляющей собой ется распределением объемов квантовых ям. Используя практически ”чистый” аморфный кремний. Электроны результат работы [7], запишем выражение для функции с энергиями от EC (a-Si) до EC (a-Si) +Ve и дырки с fv(V, x) в случае однородного распределения водородных энергиями от EV (a-Si) - Vh до EV (a-Si) локализованы, кластеров:

где Ve и Vh — значения соответствующих потенциальных барьеров.

(x) exp(-(x)V ), V 0, Величины EC и EV обозначают энергии стациоfv(V, x) = (2) нарных состояний электронов и дырок в потенциальных 0, V < 0.

ямах и зависят от эффективных масс частиц, величин соответствующих потенциальных барьеров и разме- В формуле (2) (x) — среднее число SiH-кластеров на ров потенциальных ям. Согласно модели Бродски [5], единичный объем при данной концентрации водорода край оптического поглощения определяется переходами x = [H]/[Si]. Функция (x) определяется размерами между парами состояний с энергиями EV (a-Si) - Vh водородных кластеров и монотонно возрастает с увелии EC (a-Si) +EC или EV (a-Si)-EV и EC (a-Si)+Ve. Тачением x.

ким образом мы можем использовать величину энергии Средний объем потенциальной ямы для распределения стационарного состояния, усредненной по ансамблю по(2) определяется (x):

тенциальных ям, чтобы рассмотреть зависимость оптической ширины запрещенной зоны от содержания водорода (3) V (x) =.

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.