WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 Механизмы токопереноса и свойства гетероструктур a-SiC : H/c-Si ¶ © А.А. Шерченков, Б.Г. Будагян, А.В. Мазуров Московский государственный институт электронной техники (Технический университет), 124498 Москва, Зеленоград, Россия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 12 января 2005 г.) Исследованы свойства гетероструктур a-SiC : H/c-Si, сформированных при различном содержании углерода в сплаве. Установлены преобладающие механизмы переноса носителей заряда в гетероструктурах.

Предложены эквивалентные электрические схемы, позволяющие описать вольт-амперные характеристики гетероструктур во всем исследуемом диапазоне смещений. Оценены температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны и сродство к электрону для a-SiC : H.

1. Введение ВАХ производились в диапазоне температур от 291 до 462 K. При измерении ВАХ под освещением длина В настоящее время пленки сплава a-SiC : H широко волны падающего излучения изменялась в диапазоне от используются для изготовления солнечных батарей [1], 500 до 1100 нм.

тонкопленочных полевых транзисторов [2] и т. д. Ха- Для определения содержания углерода (XC) в пленрактеристики подобных устройств в значительной сте- ках a-SiC : H использовалась спектроскопия обратного пени определяются свойствами гетероструктур аморф- рассеяния Резерфорда. Из измерений температурной ный/кристаллический полупроводник. Однако практиче- зависимости темновой проводимости пленок a-SiC : H в ская реализация приборов на их основе затруднена из- области температур от 300 до 500 K было определено за отсутствия ясных представлений о закономерностях положение уровня Ферми в аморфных сплавах относиформирования и свойствах гетероструктур на основе тельно дна зоны проводимости (EC - EF).

неупорядоченных полупроводников, а также процессов, В работе применялся метод вольт-фарадных харакпроисходящих в гетероструктуре, включая процессы теристик (ВФХ) для определения плотности распредетранспорта и рекомбинации носителей заряда. Отсут- ления энергетических состояний в щели подвижности ствие глубоких знаний о физике процессов, происхо- аморфного полупроводника и на границе раздела гетедящих в гетероструктуре, затрудняет целенаправленное роструктур аморфный/кристаллический полупроводник.

совершенствование приборов на основе таких гетероструктур. В связи с этим в данной работе представ3. Результаты лены результаты исследования механизмов переноса и свойств гетероструктур a-SiC : H/c-Si, полученных в На рис. 1 и 2 представлены прямые и обратные низкочастотной плазме тлеющего разряда на частоте ветви ВАХ гетероструктур a-SiC : H/c-Si, измеренные 55 кГц.

при различных температурах. Из рисунков следует, что на вид ВАХ влияют не только величина и знак прикладываемого смещения, но и концентрация метана в 2. Эксперимент смеси реакционных газов, при которой формировался Образцы гетероструктур a-SiC : H/c-Si были сфор- слой a-SiC : H. Аппроксимация отдельных частей ВАХ мированы путем осаждения пленок a-SiC : H в низ- с помощью различных соотношений позволила определить преобладающие механизмы переноса носителей кочастотной плазме тлеющего разряда на частоте 55 кГц на монокристаллические кремниевые подлож- заряда. Установлено, что ВАХ гетероструктуры, сформированной при RC = 20%, в области малых прямых ки с удельным сопротивлением 10 Oм · см. В просмещений (U < 1B) описывается соотношением цессе осаждения содержание CH4 в газовой смеси (RC =[CH4]/([SiH4] +[CH4]) 100%) изменялось в диаJ = J0 exp(AV ), (1) пазоне от 20 до 80%. Температура подложки, мощность разряда и давление поддерживались постоянными и где J0 — ток насыщения, A — параметр.

составляли 320C, 200 Вт, 90 Па соответственно. Далее При этом значения параметра A практически не на пленку и обратную сторону подложки наносились Al зависят от температуры, а значения тока насыщения контакты. При этом контакты к слою a-SiC : H формироуменьшаются с ростом 1/kT. Аналогичные результавались осаждением через маску.

ты были получены для гетероструктур a-Si : H/c-Si [3], Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) a-SiGe : H/c-Si [4] и a-SiC : H/c-Si [5]. В работе [6] было проводилось как при прямых (от 0 до 15 В), так и при показано, что в этом случае преобладающим механизобратных (от 0 до -15 B) смещениях в темноте и под мом переноса носителей заряда является многоступеносвещением. Измерения температурных зависимостей чатое туннелирование с захватом и эмиссией носителей ¶ E-mail: budaguan@ms.miee.ru на ловушках.

Механизмы токопереноса и свойства гетероструктур a-SiC : H/c-Si скорость, NV и NC — эффективные плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости аморфного полупроводника соответственно, EF, ET, EV и EC — энергии, соответствующие уровням Ферми и ловушек, краям валентной зоны и зоны проводимости.

В случае, когда скорость эмиссии дырок выше скорости захвата электронов на ловушки, преобладает первый член уравнения (2), в противном случае — второй.

В области высоких прямых смещений (U > 1B) ВАХ контролируется объемным сопротивлением аморфной пленки.

Для гетероструктур, сформированных при RC = 60 и 80%, в области малых прямых смещений ВАХ контролируется объемным сопротивлением слоя a-SiC : H, а в области больших прямых смещений ВАХ аппроксимируется соотношением m J = KV, (3) где K — коэффициент, зависящий от толщины пленки, распределения ловушек и проводимости материала, m — постоянная.

Рис. 1. Прямые ветви ВАХ гетероструктур a-SiC : H/c-Si.

Сплошные линии соответствуют теоретически рассчитанным ВАХ. a — RC = 20%, T, K: 1 — 297, 2 — 342, 3 — 367, 4 — 397, 5 — 427, 6 — 462. b — RC = 60%, T, K: 7 — 291, 8 — 336, 9 — 361, 10 — 391, 11 — 421, 12 — 451. На вставках — эквивалентные электрические схемы структуры.

При этом механизме дырки из валентной зоны c-Si p-типа перемещаются в аморфный полупроводник от одного локализованного состояния к другому, которые различаются по энергии на величину порядка kT, за счет многоступенчатых процессов туннелирования. Подобное перемещение носителей продолжается до тех пор, пока скорость туннелирования не становится меньше скорости эмиссии дырок в валентную зону, либо скорости рекомбинации дырок с электронами из зоны проводимости аморфного полупроводника. При этом J0 в (1) равно ET - EV J0 = B pvthNV exp kT EC - EF + nvthNC exp -, (2) Рис. 2. Обратные ветви ВАХ гетероструктур a-SiC : H/c-Si, kT сформированных при RC = 20% (a) и RC = 80% (b). Сплошгде B — постоянная, зависящая от вероятности тунненые линии соответствуют теоретически рассчитанным ВАХ.

лирования носителей, n и p — сечение захвата для T, K: 1 — 297, 2 — 342, 3 — 367, 4 — 397, 5 — 427, 6 — 462.

электронов и дырок соответственно, vth — тепловая На вставках — эквивалентные электрические схемы структур.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 966 А.А. Шерченков, Б.Г. Будагян, А.В. Мазуров В этом случае преобладает ток, ограниченный объем- Выражения (5)–(9) использовались для расчета знаным зарядом [7]. чения тока, протекающего через гетероструктуру, в При обратных смещениях для гетероструктур, сфор- соответствии с законом Ома I = U/Re. При подгонке мированных при RC = 20 и 60%, в области малых обрат- рассчитываемой вольт-амперной характеристики к эксных смещений доминирует ток, ограниченный объем- периментальной подгоночными параметрами являлись ным зарядом, а в области выcоких обратных смещений J0, K, R1, R2, m, A, которые и определялись в результате токоперенос контролируется процессами генерации и моделирования. Для a-SiC : H/c-Si, сформированных при рекомбинации носителей в обедненной области, и ВАХ RC = 60 и 80%, параметрами моделирования являлись описывается соотношением K1, K2, R1, R2, m1, m2, a Re определяется из следующего соотношения:

J = C(VD + V )n, (4) U1 UR1 K2U2 Rгде VD — контактная разность потенциалов, C — m1 mK1Uпостоянная, n — показатель степени (n < 1). Re = +. (10) U1 U+ R1 K2U2 + Rm1 mДля гетероструктур, сформированных при RC = 80%, K1UВАХ во всем исследованном диапазоне обратных смещений контролируется объемным сопротивлением слоя В случае обратных смещений Re для гетероструктур, a-SiC : H (рис. 2).

сформированных при RC < 80%, равен С учетом выявленных доминирующих механизмов переноса были предложены эквивалентные электриче- Ub Rm-RK1Uj C(VD+Ub)n ские схемы (ЭЭС), описывающие ВАХ гетероструктур Re = +, (11) 1 Ub во всем диапазоне прямых и обратных смещений (см.

+ R1 C(VD+Ub) + Rm-K1Uj вставки на рис. 1 и 2). С помощью ЭЭС проводилось моделирование ВАХ исследованных гетероструктур во а для гетероструктур, сформированных при RC = 80%, всем диапазоне прямых и обратных смещений.

Re равно В предложенных ЭЭС диод описывает экспоненциR альную зависимость тока от напряжения (1). Объемное KUm-Re =. (12) сопротивление a-Si : H описывается двумя параллельны+ R KUm-ми резисторами, один из которых является омическим сопротивлением (R2), а второй (Rn) имеет нелинейную Результаты моделирования представлены на рис. 1 и зависимость сопротивления от напряжения (3). Нелисплошными линиями. Видно, что результаты расчетов нейное сопротивление позволяет описать часть ВАХ хорошо описывают экспериментальные данные.

при высоких прямых смещениях, которая определяется По результатам моделирования прямых ветвей были током, ограниченным объемным зарядом. Шунтируюпостроены температурные зависимости параметров J0, щее сопротивление R1, параллельное диоду, позволяет K, K1, K2, R1, R2 и определены их энергии активации учесть токи утечки через гетеропереход. Таким образом, (EJf, EKf, EKf 1, EKf 2, ER1 f ER2 f соответственно), знаэквивалентное сопротивление схемы Re, используемой чения которых приведены в табл. 1. Энергии активации при моделировании прямых ветвей ВАХ гетероструктур параметров K, R, K1, R1, C, R2 для обратных смещений a-SiC : H/c-Si, сформированных при RC = 20%, равно приведены в табл. 2.

RDR1 RnRRe = +, (5) RD + R1 Rn + R4. Обсуждение где RD — сопротивление диода. Сопротивления RD и Rn определяются как Из табл. 1 видно, что полученное значение EJf = 0.46 эВ для гетероструктур a-SiC : H/c-Si, сфорUj RD =, (6) мированных при RC = 20%, значительно отличается от J0 exp(AUj) значения положения уровня Ферми (EF) для a-SiC : H, Ub сформированного в том же режиме. В этом случае Rn = =. (7) m m-KUb KUb дырки из c-Si p-типа туннелируют до уровня дефектов, который отстоит от потолка валентной зоны на 0.46 эВ, Падение напряжений на отдельных участках электригде происходит их эмиссия в валентную зону аморфного ческой схемы вычисляется по следующим формулам:

сплава.

Uj Увеличение концентрации углерода в пленке a-Si : H Ub = U - Uj = J0 exp(AUj) + - K(U - Uj)m R2, (8) Rприводит к увеличению ее удельного сопротивления и дефектных состояний в ней [8]. Эти параметры окаUj = U - Ub зывают определяющее влияние на процессы переноса носителей заряда в пленке аморфного полупроводника Ub = + K(Ub)m - J0 exp(A(U - Ub)) R1. (9) и гетероструктуре на его основе в целом. В этом случае RФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Механизмы токопереноса и свойства гетероструктур a-SiC : H/c-Si Таблица 1. Положение уровня Ферми и плотность состояний NIE для пленок a-SiC : H, плотность состояний на границе раздела NSS гетероструктур a-SiC : H/c-Si и значения энергий активации гетероструктур при прямых смещениях RC, % XC, % EC - EF, эВ NIE, cм-3 NSS, cм-2 EJf, эВ EKf, эВ EK1, эВ ER1 f, эВ EK2, эВ ER2 f, эВ 20 6.5 0.78 3.5 · 1015 4.2 · 1011 0.46 0.06 - 0.37 - 0.60 25.4 0.91 2.2 · 1015 5.5 · 1011 - - 0.36 0.28 0.34 0.80 42.5 0.94 9.1 · 1014 5.2 · 1011 - - 0.22 0.31 0.21 0.Таблица 2. Плотность состояний на границе раздела и значения энергий активации для гетероструктур a-SiC : H/c-Si при обратных смещениях RC, % XC, % NSS, cм-2 EK, эВ ERr, эВ EK1, эВ ER1r, эВ EC, эВ ER2r, эВ 20 6.5 4.2 · 1011 - - 0.35 0.64 0.36 0.60 25.4 5.5 · 1011 - - 0.22 0.27 0.24 0.80 42.5 5.2 · 1011 0.21 0.37 - - - смену механизма переноса носителей заряда в гетеро- ние R1 характеризует токи утечки в гетероструктурах структурах a-SiC : H/c-Si, которая происходит с увеличе- a-SiC : H/c-Si, наличие такой взаимосвязи указывает на нием концентрации углерода в пленке a-SiC : H, можно то, что эти токи контролируются состояниями на граниобъяснить ростом удельного сопротивления аморфной це раздела гетероструктуры a-SiC : H/c-Si.

пленки и плотности дефектов в запрещенной зоне Установлена также корреляция (см. табл. 1) между a-SiC : H.

значениями NSS и плотностью состояний вблизи уровня При приложении прямого смещения происходит ин- Ферми a-SiC : H (NIE), также оцененная с помощью жекция неравновесных зарядов из электрода в соседний вольт-фарадного метода [10]. Таким образом, можно слой аморфного полупроводника, которые занимают утверждать, что поверхностные состояния в гетеросвободные энергетические состояния выше уровня Фер- структурах a-SiC : H/c-Si обусловлены локализованными ми. При достаточно высоком напряжении избыточный состояниями в аморфном полупроводнике. Аналогичные объемный заряд распространяется на всю толщину слоя зависимости наблюдаются и для ER1r, полученного для и ограничивает ток, поступающий к противоположному обратно смещенных гетероструктур (см. табл. 2). Приэлектроду [9]. При этом практически весь избыточный нимая во внимание, что состояния вблизи уровня Ферзаряд захватывается ловушками, однако небольшая его ми определяются оборванными связями кремния [11], часть попадает в разрешенную зону полупроводника можно утверждать, что токи утечки с гетероструктурах в результате термической активации, что обеспечивает a-SiC : H/c-Si контролируются состояниями на границе рост тока. Ток, ограничиваемый объемным зарядом, раздела, которые облусловлены оборванными связями начинает доминировать, когда концентрация инжектиSi, расположенными вблизи уровня Ферми.

рованных неравновесных свободных носителей заряда становится сравнимой с концентрацией носителей, активированных термически [9]. При этом проводимость материала определяется инжектированным зарядом, когда время пролета неравновесных электронов мало и их заряд не успевает рассосаться за диэлектрическое время релаксации, что имеет место для a-Si : H. В этом случае энергии активации EK1 и EK2 можно интерпретировать как положение уровня ловушек относительно дна зоны проводимости, с которого происходит термическая активация захваченных электронов, что обеспечивает рост тока, ограниченного объемным зарядом.

На рис. 3 показана зависимость ER1 f от плотности состояний на границе раздела NSS гетероструктур a-SiC : H/c-Si, оцененная с помощью вольт-фарадного метода [10]. Из рисунка видно, что наблюдается прямая Рис. 3. Зависимость ER1 f от NSS для прямых смещений.

взаимосвязь между NSS и EF1 f. Поскольку сопротивле- Сплошная линия соответствует линии тренда.

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.