Реферат 1 / Применение гидрогенизированного аморфного кремния

Министерство цифрового развития и массовых коммуникаций РФ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Реферат

«Применение гидрогенизированного аморфного кремния»

Выполнил:

Студент группы

Проверил:

Каравашкина В. Н.

Москва, 2025.

Структура. Аморфные пленки кремния, германия и целого ряда других полупроводников были получены различными методами напыления достаточно давно, однако не находили сколь либо серьезного практического применения из-за отсутствия реальных возможностей управления их электрическими свойствами. В отличие от аморфных металлов в аморфных полупроводниках (АП) нет плотной упаковки частиц. Они состоят из атомов, связанных ковалентными связями и образующих неупорядоченную открытую трехмерную сетку.

Электронные состояния. Установлено, что чистый аморфный кремний пронизан оборванными ненасыщенными (свободными) связями. Их концентрация достигает 5*10²⁵ м^-3. Эти оборванные связи образуют локализованные состояния для электронов, которые лежат внутри запрещенной зоны. В АП запрещенная зона фактически не является «запрещенной» в полном смысле этого слова. Основными причинами образования локализованных состояний в АП являются отсутствие у них регулярной периодической решетки, а также наличие большого количества дефектов типа микропор.

Электроны, сконденсированные в локализованных состояниях, могут принимать участие в создании электрического тока по механизму прыжковой электропроводности. Такая электропроводность является термически активируемым процессом, поскольку для перескока носителей заряда от одного дефекта структуры к другому требуется преодоление некоторого энергетического барьера. Движение носителей заряда по локализованным состояниям характеризуется очень низкой подвижностью (10^-5...10^-8 м²/(В*с)), что отличает их от состояний зоны проводимости, в которой происходит движение свободных электронов.

У простых АП уровень Ферми располагается вблизи середины запрещенной зоны, при этом аморфные пленки имеют высокое удельное сопротивление (10⁶...10⁸ Ом*м). В таких материалах слабо выражена зависимость электрических свойств от содержания примесей. Проводимость оказывается практически одинаковой как у чистого аморфного кремния, так и у сильнолегированного материала. Одно из объяснений состоит в том, что в неупорядоченной сетке реализуется нормальная валентность примесных атомов, т. е. не образуется неустойчивых электронных конфигураций. Например, атомы бора в аморфном кремнии могут встраиваться в структурную сетку посредством трех ковалентных связей (а не четырех, как это имеет место в кристаллическом кремнии) и поэтому становятся электрически неактивными.

Роль водорода. Электрические свойства аморфного кремния коренным образом изменяются, если осаждение пленок из газовой фазы производить в атмосфере активированного водорода. Водород насыщает свободные связи, благодаря чему происходит залечивание дефектов структуры. Связи, насыщенные водородом, оказываются достаточно сильными и приводят к образованию электронных состояний, лежащих в глубине валентной зоны.

Аморфный кремний, содержащий водород, называют гидрогенизированным и обозначают как а-Si:Н. Процесс нейтрализации оборванных связей не может произойти с участием молекулярного водорода, поскольку для разрыва связей Н — Н требуется весьма значительная энергия. Поэтому реакция гидрогенизации проводится в водородной плазме, содержащей много активного атомарного водорода. Размер атомов водорода достаточно мал, и при повышенных температурах они легко диффундируют в объем аморфной пленки. Благодаря водородной пассивации ненасыщенных связей резко уменьшается (примерно на три порядка) плотность локализованных состояний внутри щели подвижности.

По данным оптических измерений, ширина запрещенной зоны нелегированного а-Si:Н составляет 1,6...1,8 эВ и зависит от содержания водорода в пленке. Увеличение ширины запрещенной зоны у сплавов а-Si:Н по сравнению с кристаллическим кремнием можно объяснить более сильными связями типа Si - Н, чем связи между самими атомами кремния.

Основной метод получения. Наиболее распространенным методом получения пленок а-Si:Н является разложение моносилана SiH4 в высокочастотной плазме тлеющего разряда. Высокочастотный тлеющий разряд способствует образованию химически активных радикалов и атомов, типа SiH, SiH2, Н и др. Для возбуждения и поддержания разряда используются установки с индуктивной и емкостной связью. В первом случае (рис. 1) плазма создается с помощью ВЧ-индуктора, расположенного снаружи рабочей камеры и питаемого напряжением с частотой от 0,5 до 13,5 МГц. Процесс проводят при низком давлении SiH, в рабочем объеме 10... 100 Па и скорости подачи газа в реактор до 30 см³/с. Требуемый уровень подводимой ВЧ-мощности (от 1 до 20 Вт) определяется только необходимостью поддержания устойчивого тлеющего разряда. В указанных условиях скорость осаждения пленок составляет от 10 до 100 нм/мин, возрастая с увеличением содержания SiH4 в газовой фазе.

Рисунок 1 – Индуктивная система получения плёнок а-Si:Н методом тлеющего разряда

Рисунок 2 – Емкостная система получения плёнок а-Si:Н методом тлеющего разряда

В емкостной системе тлеющего разряда плазма возбуждается между двумя плоскопараллельными электродами, питаемыми, как правило, напряжением с частотой 13,5 МГц. Важное преимущество таких установок над индуктивными системами состоит в относительной легкости, с которой можно увеличить размеры плоских электродов и получать однородные образцы достаточно большой площади.

Основными материалами подложки являются пластины и ленты из нержавеющей стали и кварцевого стекла, а также полиамидная пленка. Минимальная плотность локализованных состояний в запрещенной зоне достигается при температурах осаждения 250...400 °С. Легирование пленок осуществляется добавлением в поток моносилана дозированных количеств диборана В2Н6 или фосфина РН3 при получении слоев р- и n-типов соответственно.

При нагревании пленок а-Si:Н до температуры, превышающей температуру осаждения, происходит выделение водорода из гидрогенизированной пленки и число оборванных связей возрастает. Таким образом, диффузия водорода из пленок может снижать срок службы приборов, изготовленных на их основе. По этой же причине ограничиваются возможности применения таких методов модификации вещества, как диффузия примесей, отжиг структурных дефектов и т.д.

Электропроводность. Нелегированные пленки а-Si:Н обладают электропроводностью n-типа. Удельное сопротивление в неотожжённом состоянии существенно зависит от температуры подложки в процессе конденсации и принимает значения от 10⁹ Ом*м при Т_s = 100 °С до 10³ Ом*м и менее при Т_s = 550 °С. На рис. 3 показана типичная температурная зависимость удельной проводимости нелегированной аморфной пленки, полученной в плазме тлеющего разряда. Энергия активации электропроводности хорошо прослеживается до температуры Ткр, которая отмечена на графике (кривая 1 на рис. 3). Нагревание образца до Т > Ткр приводит к необратимым изменениям электрических свойств, обусловленным кристаллизацией аморфного материала (кривая 2 на рис. 3). В результате фазового превращения проводимость пленки при комнатной температуре возрастает более чем на четыре порядка величины.

Рисунок 3 - Температурная зависимость удельной проводимости нелегированного а-Si:H, полученного в плазме тлеющего разряда

Поведение примесей. Легирование донорными и акцепторными примесями приводит к созданию дополнительных энергетических уровней в окрестности соответствующих зон. Наиболее часто в качестве легирующих примесей используются бор, фосфор и мышьяк.

С помощью легирования можно изменять удельное сопротивление пленок а-Si:H в пределах десяти порядков. Установлено, что из общего числа атомов фосфора, введенных в АП, лишь одна треть образует донорные центры. Остальные атомы фосфора не проявляют электрической активности, так как их валентные связи оказываются насыщенными в неупорядоченной структурной сетке АП.

Применение. Благодаря простой и воспроизводимой технологии плазмохимического осаждения тонкие пленки а-Si:Н находят массовое применение при создании недорогих фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Принцип действия таких приборов основан на разделении носителей заряда, генерируемых при поглощении фотонов, внутренним полем р-n-перехода. Содержание водорода в слоях с хорошими фотоэлектрическими свойствами обычно составляет от 5 до 8%. Ширина запрещенной зоны гидрированных аморфных пленок наилучшим образом соответствует спектру солнечного излучения.

Один из наиболее распространенных вариантов фотоэлектрических преобразователей реализуется на основе р-і-n-структур (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема фотоэлектрического преобразователя на основе р-і-n - структуры из аморфного гидрогенизированного кремния

В такой структуре имеется нелегированный і-слой толщиной около 1 мкм и тонкие прослойки р- и n-типов, примыкающие к освещаемому и тыльному электродам. Нелегированный слой в действительности не является собственным, а обладает небольшой проводимостью n-типа. Подобные фотоэлементы могут быть изготовлены на достаточно большой площади подложек (более 100 см²). Их КПД в зависимости от метода нанесения пленок и площади рабочей поверхности составляет от 4 до 8%. Они применяются в качестве маломощных источников питания в простейших калькуляторах, электронных часах, портативных магнитофонах и др.

Разработан и реализован непрерывный процесс изготовления гибких тонкопленочных элементов для солнечных батарей на а-Si:Н. В этом случае слои с разным легированием наносятся на непрерывно движущуюся подложку (металлическую или полимерную), а готовая лента с фотоэлементами наматывается на приемный барабан.

Для расширения возможностей управления электрическими, оптическими и фотоэлектрическими свойствами аморфных полупроводников при изготовлении различных приборов наряду с гидрогенизированным кремнием применяют его сплавы с германием (a-Si_xGe_1-x:H), углеродом (а- Si_xC_1-x:H) и азотом (а- Si_xN_1-x:H). При получении этих материалов в поток моносилана добавляют гидриды соответствующих элементов сплава GeH4, CH4, ΝΗ3.