WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1 Проводимость тонких нанокристаллических пленок кремния © В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 мая 1998 г. Принята к печати 27 мая 1998 г.) Показано, что тонкие (200–250 ) гидрогенизированные нанокристаллические пленки кремния обладают низкой продольной проводимостью, сравнимой с проводимостью нелегированного аморфного кремния, и высокой поперечной проводимостью. Такие пленки могут быть использованы в качестве легированных слоев при создании барьерных структур с малым поверхностным растеканием тока. Установлено, что проводимость пленок уменьшается на 8–10 порядков в направлении вдоль слоя при изменении толщины от 1500 до 200. Наблюдаемые зависимости проводимости от толщины интерпретированы в рамках теории протекания разрушением перколяционного кластера из нанокристаллитов при уменьшении толщины слоя.

В ряде приборов на основе гидрогенизированного Однако тонкие пленки, толщина которых сравнима аморфного кремния (a-Si : H) и нанокристаллического с размером кристаллита, некорректно рассматривать в кремния (nc-Si : H) необходимо применение легирован- задачах теории протекания как трехмерную систему.

ных слоев с малой проводимостью вдоль поверхности Отметим, что в случае двумерной (по отношению к пленки. Это относится, например, к видиконам, фото- размеру кристаллита) системы образование перколяциэлементам, работающим в условиях малой освещенно- онного кластера должно происходить при гораздо больсти [1], пространственно-временным модуляторам свешей объемной доле нанокристаллитов. Известно [8], та (ПВМС) [2]. В данных приборах требуется предчто в модели проводящих твердых сфер порог протеотвратить растекание тока вдоль легированных слоев кания возникает, когда критическая доля объема, заняp-i-n-структур. Частично этого можно достичь, снитая сферами, составляет примерно 16% для трехмержая уровень легирования p-, n-слоев. Однако такое ной системы и 50% для двумерной. Таким образом, уменьшение концентрации легирующих примесей притонкие (квазидвумерные) пленки nc-Si : H, в которых водит к ухудшению параметров барьера n-i или p-i не образуется объемный перколяционный кластер, т. е.

и, соответственно, к ухудшению нагрузочных характеотсутствует высокая продольная проводимость, и користик фотоэлементов, фоточувствительности и быстроторые в то же время обладают значительной попедействия ПВМС.

речной проводимостью (определяемой свойствами отВ настоящей работе показано, что в качестве легидельных кристаллитов и гетерограницами между ними), рованных слоев, обладающих малым растеканием вдоль могут быть использованы в качестве легированных слоев поверхности, можно использовать тонкие (200–250 ) p-i-n-структур.

нанокристаллические пленки кремния.

Нанокристаллический кремний изготавливался метоПо сути синтезированные пленки являются системой дом плазохимического газофазного осаждения (plasma кристаллических квантовых точек, внедренных в аморфenhanced chemical vapour deposition — PE CVD) в ную матрицу. Интерфейс нанокристаллит– аморфная условиях сильного разбавления силана водородом [4].

матрица представляет собой гетеропереход с туннельноПараметры технологического процесса были следующие:

прозрачным диэлектриком [3]. Кристаллиты могут иметь концентрация силана в водороде 2–3%, давление рабочей размеры от 20 до 100, а их объемная доля варьисмеси 0.2–0.4 Торр, расход рабочей смеси 10-20 см3/мин руется в пределах 0–50% [4–7]. С другой стороны, в (sccm), температура подложки 200-300C, удельная работах [7,8] показано, что наблюдаемые в nc-Si резвысокочастотная (ВЧ) мощность 0.3–1 Вт/см2, частокие изменения проводимости при увеличении объемной та 17 МГц.

доли кристаллитов можно объяснить в рамках феноОсаждение проводилось с использованием стандартменологических представлений теории протекания, не ной диодной схемы PE CVD, в которой ВЧ напряжение привлекая к рассмотрению квантовые эффекты. Так, при прикладывалось к ВЧ электроду, а подложки находидостижении величины объемной доли нанокристаллитов лись на нагреваемом втором электроде. Нагреваемый критического значения порядка 16% в nc-Si образуется электрод был заземлен по ВЧ составляющей и имелась перколяционный кластер из нанокристаллитов, и прововозможность подавать на него постоянное отрицательное димость пленки резко возрастает. В этом случае протесмещение 0–300 В. Для in situ контроля скорости роста кание тока осуществляется системой нанокристаллитов, и оптических параметров пленок использовалась метообладающей проводимостью на много порядков больше дика лазерной интерферометрии при угловом падении по сравнению с аморфной матрицей. Если объемная доля меньше критической, соответствующей порогу про- лазерного луча на подложку. Для получения легировантекания, то перколяционный кластер не образуется, и ных пленок nc-Si : H n-типа в газовую смесь добавлялся проводимость определяется свойствами аморфной фазы. фосфин (PH3/(SiH4 + PH3) 1%).

76 В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов нанокристаллических и аморфных пленок позволяет связать наблюдаемое уменьшение проводимости в тонких слоях nc-Si : H с разрушением перколяционного кластера при переходе системы от трехмерной к квазидвумерной по отношению к размерам кристаллитов. Действительно, если диаметр нанокристаллитов составляет 30–40, то только 5–6 нанокристаллитов могут разместиться в поперечном направлении в пленке толщиной 200–250.

В то время как в продольном относительно подложки направлении помещается более 105 кристаллитов.

Для подтверждения предложенной интерпретации методом Монте–Карло были выполнены численные расчеты порога протекания c для задачи узлов (c = W/, где W — критическая доля объема, — плотность упаковки). Вычисления проводились для простой кубической решетки. Величина порога протекания в предельных случаях объемной (50 50 50) и плоской (50 50 1) решеток (см. вставку на рис. 2) составляла 0.31 и 0.59 соответственно, что совпадает со значениями c, известными из литературы [9] для простой кубической и квадратной решеток. Рассчитанная зависимость c от числа слоев решетки вдоль направлений X, Y (продольная проводимость) представлена на рис. 2.

Рис. 1. Зависимости проводимости от толщины нанокристалИз проведенного анализа следует, что для возниклических (2, 3) и аморфных (1) пленок кремния, легированновения перколяционного кластера в продольном наных (1, 3) и нелегированных (2) фосфором.

правлении в тонких (менее 10 диаметров кристаллитов) пленках объемная доля нанокристаллической фазы должна превышать критическое значение (16%) для В качестве подложек применялись кварц и кристал- трехмерного случая. Как уже отмечалось, предельным лический кремний. Скорость роста пленок составляла является значение для плоской (двумерной) системы 0.3-1.0 /c. Объемная доля и размер кристаллитов определялись из численной обработки спектров рамановского рассеяния с учетом пространственного ограничения фононов [7] и составляли, соответственно, 30% и 40. Толщины пленок изменялись от 1500 до 200.

Для сравнения зависимостей проводимости от толщины нанокристаллических и аморфных пленок были также изготовлены легированные слои a-Si : H. Осаждение велось при концентрации силана в газовой смеси более 10% и пониженной ВЧ мощности (< 0.1Вт/см2). В планарной конфигурации проводимость образцов измерялась между нанесенными серебряной пастой электродами длиной около 3 мм и расстоянием между ними порядка 1 мм.

На рис. 1 представлены зависимости проводимости от толщины пленок разного состава: нанокристаллических как нелегированных, так и легированных фосфором, а также аморфных слабо легированных (PH3/SiH4 0.01%). Как видно из этого рисунка, нанокристаллические пленки демонстрируют очень сильную зависимость проводимости от толщины. Величина проводимости уменьшается более чем на 9 порядков Рис. 2. Рассчитанная зависимость величины порога протекапри уменьшении толщины от 1500 до 200. В то же ния c в продольном (X, Y ) направлении для простой кубивремя при изменении толщины аморфных пленок в тех ческой решетки от числа слоев решетки в поперечном (X, Z) же пределах их проводимость изменяется меньше чем направлении. Вычисления проводились для кубика с размерами на порядок. Такое различие в поведении проводимости 505050 узлов (см. вставку) с шагом 1 в направлениях X, Z.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Проводимость тонких нанокристаллических пленок кремния 50%. Таким образом, с точки зрения теории проте- являются дополнительными центрами зародышеобразокания пленки nc-a-Si : H, когда их толщина становится вания кристаллитов. Вследствие этого можно предполосравнима с размерами нанокристаллитов, следует рас- жить, что легирующая примесь распределена в пленке сматривать как квазидвумерные. существенно неравномерно — в основном в нанокристаллической фазе. Поскольку в тонких (200–250 ) Оценки объемной доли нанокристаллитов в исследуслоях объемная доля кристаллитов недостаточна для емых образцах показали, что она практически не измевозникновения перколяционного кластера, проводимость нялась в зависимости от толщины пленок и составляла гетерофазных пленок в продольном направлении будет 30%, что существенно меньше критической величины определяться свойствами низкопроводящей аморфной 50%, при которой возникает порог протекания в двуфазы.

мерном случае. Этот факт согласуется с предложенной Таким образом, исследована зависимость проводимоинтерпретацией, что наблюдаемое гигантское падение сти от толщины гидрогенизированных нанокристаллипроводимости объясняется разрушением перколяционноческих пленок кремния. Проводимость вдоль слоя сниго кластера при переходе от объемной к тонкой (по отножается на 8–10 порядков при уменьшении толщины шению к размерам нанокристаллитов) квазидвумерной от 1500 до 200. Наблюдаемая зависимость продольпленке nc-Si : H.

ной проводимости интерпретируется в рамках теории Перейдем теперь к рассмотрению поведения провопротекания и связана с разрушением перколяционного димости поперек слоя. Расчеты показывают, что в тонкластера при уменьшении толщины пленки. Полученные ких слоях (порядка 5–6 диаметров кристаллитов) потонкие (200–250 ) пленки nc-Si : H возможно использоперечная проводимость должна резко возрастать вследвать в качестве легированных слоев в p-i-n-структурах, ствие увеличения вероятности образования перколякогда требуется уменьшить эффект растекания тока по ционного кластера из нанокристаллитов от верхнеповерхности слоя при сохранении достаточно высоких го электрода до нижнего. Однако следует сразу подзначений поперечной проводимости.

черкнуть, что в экспериментальных исследованиях при используемой площади верхнего титанового контакта Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ 10-3 см2 измеряемые поперечные сопротивления пле- (проект № 98-02-17350) и МНТП ”Физика твердотельнок толщиной около 1000 будут существенно пре- ных наноструктур” (проект № 96-1012).

вышать сопротивление нижнего титанового электрода (10 Ом) лишь при значениях проводимости менее Список литературы 10-4 Ом-1см-1. Именно эта величина ограничивала наблюдаемые в эксперименте максимальные значения [1] Аморфные полупроводники и приборы на их основе, поперечной проводимости.

под. ред. Й. Хамакавы (М., Металлургия, 1986).

[2] N.I. Ivanova, N.A. Feoktistov, A.N. Chaika, A.P. Onokhov, Приведенный анализ позволяет оценить объемную A.B. Pevtsov. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 282, 315 (1996).

долю кристаллитов в пленке nc-Si : H, при которой воз[3] G.Y. Hu, R.F. O’Connel, Y.L. He, M.B. Yu. J. Appl. Phys., 78, никает значительная анизотропия проводимости. Однако 3945 (1995).

он не дает возможности получить аналитическую зави[4] T. Hamasaki, H. Kurata, M. Hirose, Y. Osaka. Appl. Phys.

симость проводимости от толщины пленки. Для объяснеLett., 37, 1084 (1980).

ния конкретного вида такой зависимости, по-видимому, [5] X. Liu, S. Tong, L. Wang, G. Chen, X. Bao. J. Appl. Phys., 78, можно привлекать те же соображения, что и в моно6143 (1995).

графии [10], где дан аналитический вывод зависимости [6] A.B. Pevtsov, V.Yu. Davydov, N.A. Feoktistov, V.G. Karpov.

прыжковой проводимости от толщины пленки.

Phys. Rev. B, 52, 955 (1995).

[7] В.Г. Голубев, В.Ю. Давыдов, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, Интересно отметить, что продольная проводимость Н.А. Феоктистов. ФТТ, 39, 1348 (1997).

легированного фосфором nc-Si : H толщиной 200–[8] R. Tsu, J. Gonsalez-Hernandez, S.S. Chao, S.C. Lee, K. Tanaka.

лишь на порядок выше по сравнению с нелегированAppl. Phys. Lett., 40, 534 (1982).

ным nc-Si : H и значительно ниже проводимости слабо [9] Дж. Займан. Модели беспорядка (М., Мир, 1982).

легированного a-Si : H. При обсуждении этого результата [10] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства следует учесть, что рост нанокристаллических пленок легированных полупроводников (М., Наука, 1979) гл. 9, происходит в технологических условиях, заметно отс. 276.

личающихся от стандартов PE CVD при получении Редактор Т.А. Полянская аморфного кремния, что может приводить к повышенной концентрации дефектов в аморфной фазе. Это обстоятельство, с одной стороны, способствует росту нанокристаллической фазы из-за понижения энергетического барьера для нуклеации кристаллитов за счет увеличения статического беспорядка в аморфной среде [6], с другой стороны, снижает эффективность легирования аморфной матрицы. Кроме того, сами атомы примеси Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 78 В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов The conductivity of thin nanocrystalline silicon films V.G. Golubev, L.E. Morozova, A.B. Pevtsov, N.A. Feoktistov A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St.Petersburg, Russia

Abstract

The hydrogenated nanocrystalline silicon thin films (200-250) exhibit the low longitudinal conductivity, which is comparable with one of undoped amorphous silicon, and the high transverse conductivity. The films can find applications as doped layers in creating barrier structures with a small surface leakage current. The conductivity along the film surface has been found to decrease by 8-10 orders of magnitude as the layer thickness reduced from 1500 to 200. The data obtained are interpreted in terms of the percolation theory as a desruction of the silicon nanocrystallite percolation cluster.




© 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.