WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

(x) Далее мы предлагаем некоторую мофдификацию подхода, предложенного в [15], чтобы учесть влияние размеров водородной микроструктуры. Соотношение (3) будет использовано, чтобы связать функцию (x) с характерными размерами экспериментально наблюдаемой микроструктуры.

Предположим, что (x) =x (4) — линейная зависимость, где — коэффициент пропорциональности. Авторы [7], ссылаясь на известные результаты исследования ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [16], предположили, что преобладающей формой связывания водорода являются кластеры, состоящие из 6 связей SiH и занимающие объем, эквивалентный элеРис. 6. Схема энергетических зон в модели квантовых ям Бродски. ментарной ячейке Si кристалла (160 3). Используя (3) Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Модель квантовых ям и край оптического поглощения в структурно-неоднородных сплавах... и (4), мы определяем, что величина для этого случая составляет 10-3 -3 (для x = [SiH]/[Si] 0.1, а средний диаметр потенциальной ямы равен примерно 10. С другой стороны, на наших пленках a-Si : H мы наблюдали структуру с характерными размерами 300, что соответствует 10-7-10-8 -3 при той же концентрации водорода.

Среднее значение энергии стационарного состояния для ансамбля потенциальных ям одинаковой формы с одинаковой величиной потенциального барьера U0 можно записать как EV (x) =U0 1 -exp -Vcrit(x) Рис. 7. Зависимости оптической ширины запрещенной зоны a-Si : H от содержания водорода. Три кривые соответствуют + EV (V) fv(V)dV, (5) трем различным способам распределения водорода, определяемым значением параметра.

Vcrit где ”критический” объем Vcrit — максимальный объем, когда стационарный уровень совпадает с границей неНаибольшие изменения EV с содержанием водорода прерывного спектра, т. е. EV = Vh.

(увеличение на 0.3 эВ при увеличении x от 0.1 до 0.4) Величина критического объема Vcrit и зависимость наблюдаются для = 10-3 -3. При этом величина энергии стационарного состояния от объема потенциd EV /d[H] (которая является оценкой производной альной ямы EV (V ) определяются величиной энергетиdEG/d[H]) составляет приблизительно 0.01 эВ/ат%, что ческого барьера U0 и эффективной массой частицы m хорошо согласуется с данными работы [1]. С другой (в данном случае дырки). Для сферических потенциальстороны, для = 10-5-10-7 -3 величина EV ных ям [7,17] практически не зависит от содержания водорода.

Зависимости, показанные на рис. 7, позволяют в рам4 h2 3/ках рассматриваемой модели определить ”растворенVcrit = (6) 6 2mUную” и ”кластерированную” формы связей SiH. Растворенная форма связей SiH ( 10-3) включает в себя и одиночные связи и сравнительно небольшие кластеры, 2mUk · ctg(kL) =- -k2, (7) образованные несколькими связями SiH и занимающие h объем тогоже порядка, что и элементарная ячейки могде k = 2m(U0 -|E |), V = L3, E =U0 -E, E — 3 нокристалла кремния. Если такая форма связывания энергия частицы, отстчитанная от дна потенциальной водорода является преобладающей, то средний размер ямы.

”островков” (потенциальных ям) составляет 10, а Значение параметров модели выбирались из следуюоптическая ширина запрещенной зоны двухфазной систещих соображений. Эффективная масса дырок в соответмы в сильной степени зависит от содержания водорода.

ствии с работой [5] была принята равной m = 0.5m0, h Кластерированная форма предполагает присутствие где m0 — масса свободного электрона. Чтобы оценить более крупных кластеров, которые образуют неодноровысоту обарьера для дырок, мы должны определить ности (внутренние границы) с характерными размерами величины ширины запрещенной зоны для узкозонной и в несколько десятков нанометров ( 10-5-10-7).

широкозонной фаз, а также величину энергетического Изменение содержания водорода в кластерированной барьера для электронов. В качестве первой мы взяли фазе практически не влияет на величину оптической известное экстраполированное значение 1.6 эВ [1], соширины запрещенной зоны.

ответствующее нулевой концентрации водорода. СогласДанная модель может быть распространена и на слуно [5], величина энергетического барьера для электронов чай сплавов Si с азотом, углеродом и другими элеменможет быть оценена исходя из энергии активации дрей- тами, энергия связи которых с Si выше, чем энергия фовой подвижности. Эта величина для a-Si : H обычно связи Si–Si. Очевидно, что модель квантовых ям для составляет около 0.1 эВ [15]. Оценивая значение ширины таких сплавов будет отличаться прежде всего величизапрещенной зоны широкозонной фазы, мы следовали нами энергетических барьеров Ve и Vh, что скажется работам [5,7], где EG(SiHx) 2 эВ. Таким образом, на чувствительности оптической ширины запрещенной значение высоты потенциального барьера для дырок зоны к изменению состава при заданном значении, Vh = EG(SiHx) - EG(a-Si) - Ve составляет 0.3 эВ. определяемом характерными размерами микроструктуЗависимости средней энергии стационарного состо- ры. В то же время качественные закономерности, опреяния EV = EG(a-Si:H) - EG(a-Si) для различных зна- деляющие зависимость EG от этих характерных размеров чений от содержания водорода показаны на рис. 7. (т. е. зависимость EV от ), останутся прежними.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 536 Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, Д.А. Стряхилев, Е.М. Соколов Из экспериментальных данных, представленных в [3] A.P. Sokolov, A.P. Shebanin, O.A. Golikova, M.M. Mezdrogina. J. Non-Cryst. Sol., 137/138, 99 (1991).

разд. 3 настоящей работы, следует, что оптическая шири[4] J. Robertson. Phil. Mag., 63, 47 (1991).

на запрещенной зоны a-Si : H и сплавов a-SiN : H опреде[5] M.H. Brodsky. Sol. St. Commun., 36, 55 (1980).

ляется содержанием связей SiH (SiN) в объеме островков [6] A.A. Klochikhin. Phys. Rev. B, 52, 10, 979 (1995).

и не зависит от их концентрации вблизи внутренних [7] S.K. O’Leary, S. Zukotinsky, J.M. Pierz. J. Appl. Phys., 78, границ. В рамках модифицированной нами модели кван4282 (1995).

товых ям случаю, когда одиночные атомы водорода [8] B.G. Budaguan, A. Aivazov, A.Yu. Sazonov, A.A. Popov, (азота) или сравнительно небольшие кластеры находятся A.E. Berdnikov. Mater. Res. Soc. Spring Meeting (San в объеме островков, соответствуют высокие значения Francisco, USA, 1997).

( 10-3 -3) и, следовательно, высокая чувствитель[9] A.A. Langford, M.L. Fleet, B.P. Nelson, W.A. Lanford, ность EG к изменению состава пленки (рис. 7). Если же N. Maley. Phys. Rev. B, 45, 13, 367 (1992).

атомы водорода либо азота образуют микроструктуру с [10] S. Chattopadhay, S.N. Sharma, R. Banarjee, D.M. Bhusari, характерными размерами нескольких сот (границы S.T. Kshirsagar, Yan Chen, D.L. Wiliamson. Appl. Phys. Lett., островков), то EG практически не зависят от концентра76, 5208 (1994).

ции атомов водорода (азота). Таким образом, модифи[11] J.W. Osenbach, W.R. Knolle. J. Appl. Phys., 60, 1408 (1986).

цированная нами модель квантовых ям качественно вос- [12] G. Lucovsky, J. Yang, S.S. Chao, J.E. Tyler, W. Czubatyj. Phys.

производит экспериментальные зависимости оптической Rev. B, 28, 3234 (1983).

ширины запрещенной зоны от состава пленок a-Si : H [13] E. Bustarret, M. Bensouda, M.C. Habrard, J.C. Bruyere, S. Pouline, S.C. Gujrathi. Phys. Rev. B, 38, 8171 (1988).

и a-SiNx : H и характерных размеров микроструктуры, [14] B.G. Budaguan, A.A. Aivazov, A.Yu. Sazonov. Physica B, 193, образованной атомами водорода и азота.

195 (1994).

[15] J.M. Marshall, R.A. Street, M.J. Thompson. Phil. Mag. B, 54, Заключение 51 (1986).

[16] J. Baum, K.K. Gleason, A. Pines, A.N. Garroway, J.A. Reimer.

1. Мы исследовали микроструктуру и край оптическоPhys. Rev. Lett., 56, 1377 (1986).

го поглощения структурно-неоднородных сплавов a-Si : H [17] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифщиц. Квантовая механика. Нереи a-SiNx : H, полученных разложением в ВЧ тлеющем лятивистская теория (М., 1989).

разряде из силаносодержащих газовых смесей, разбаРедактор В.В. Чалдышев вленных водородом. Как следует из данных АСМ, ПЭМ и ИК спетроскопии, основным элементом микроструктуры Quantum-well model пленок являются островки, обогащенные Si, по границам and optical absorption edge которых концентрируется водород (в случае a-Si : H) либо водород и азот (в случае a-SiNx : H). Характерный in structure-inhomogeneous размер островков составляет 500.

a-Si : H-based alloys 2. Установлено, что величина оптической ширины G. Budaguan, A. Aivazov, A. Stryahilev, M. Sokolov запрещенной зоны пленок определяется содержанием водорода (в случае a-Si : H) либо азота (в случае a-SiNx : H), Moscow Institute of Electronic Technology, содержащихся в объеме зерен, и не зависит от концентра103498 Moscow, Russia ции этих элементов в области межостровковых границ.

3. Предложена модификация известной ”модели кван

Abstract

In this paper we studied microstructure and optical товых ям”, где приняты во внимание характерные размеabsorption edge of a-Si : H and silicon-rich a-SiNx : Hfilms prepared ры микроструктуры, образованной атомами вододрода, by rf -PECVD of hydrogen diluted both SiH4 and SiH4 + NHазота и др. Эта модифицированная модель удовлетвориmixtures, respectively. Films with device quality optoelectronic тельно объясняет экспериментально наблюдаемые завиproperties and developed microstructure were fabricated at enсимости оптической ширины запрещенной зоны сплавов hanced deposition rates (up to 8 /s).

на основе a-Si : H от их состава и микроструктуры.

Microsturcture of films was studied by atomic force microscopy Авторы выражают свою признательность В.Х. Кудоand infrared spectroscopy. Both a-Si : H and a-SiNx : H films яровой, а также компании NT-MDT в лице В. Быкова, possessed pronounced inhomogeneity in the scale of 500 and А. Галоганова и С. Нестерова за содействие при прове- contained Si-rich islands with hydrogen (in a-Si : H) or hydrogen дении эксперимента и обсуждение результатов. and nitrogen (in a-SiNx : H) collected at their boundaries. It was Исследования, результаты которых сообщаются в на- found that different atomic configurations of N and H found from IR data should be attributed to islands bulk and boundaries.

стоящей статье, проводились при финансовой поддержке It was established that the optical gap is determined by the программы INTAS (контракт № 94-4352).

concentration of hydrogen (in a-Si : H) or nitrogen (in a-SiNx : H) in the bulk of islands while it is insensitive to variations of content Список литературы of these alloy atoms at islands boundaries. These results are interpreted in terms of quantum well model modified in order to [1] G.D. Cody. Semicond. Semimet. 21B, 11 (1984).

take into account alloy atoms related microstructure.

[2] M.B. Schubert, H.-D. Mohring, E. Lotter, G.H. Bauer, IEEE Trans., 36, 2863 (1989).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №

Pages:     | 1 ||



© 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.