44. Свойства поликристаллического кремния

Атомная структура полупроводниковых материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфно­го состояния. Поликристаллический кремний в этом ряду занимает про­межуточное положение. Его химические и физические свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, кото­рые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликристаллического кремния к из­менению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в ши­роких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необ­ходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликристал­лического кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).

МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и свя­зана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образова­нию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Имен­но из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы биполярные транзисторы на поликремнии. Повышенное рассеяние сни­жает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных транзисторов.

Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нели­нейности характеристик резисторов, изготавливаемых на основе по­ликристаллического кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение концентрации носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпен­сированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материа­ла п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис

Так как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодо­леть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о по­ликремния можно записать в виде

где σ_V - электропроводность основной массы зерна.

∆Еbf и ∆Евс - вы­соты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми Е_F и дну зоны проводимости Еc соответственно; Еv - потолок валентной зоны; ∆Е_G ширина запрещенной зоны; <а> - размер зерна

45. Получение тонких пленок поликристаллического кремния. Стандартным методом получения полукристаллических пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пони­женном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом - 20 - 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При повышении температуры осаждения более важную роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаж­дающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим спосо­бом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает про­блемы при проведении последующих технологических операций изготов­ления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев мо­жет привести к понижению пробивных напряжений и повышению тун­нельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлек­триках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев ока­зывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовлен­ных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми раз­мерами элементов.

В этой связи практический интерес представляют пленки поликри­сталлического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверх­ность менее шероховатой.

Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида ле­гирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной им­плантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании по­лупроводниковых приборов.

Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавле­ния в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении леги­рующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пле­нок по поверхности пластины.

Сильно легированный фосфором поликремний травится и окис­ляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния

и уровня легирования зависят химические и физические свойства поли­кремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты пре­ломления и поглощения.

46. Применение а-Si:Н. Эффективное легирование а-Si:Н открыло ин­тересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фо­тоэлектрических устройств большой площади. Основными фо­точувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторе­зисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхре­шеток.

Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в исполь­зовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглоще­ние в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические по­тери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокри­сталлического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми эле­ментами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) эксперименталь­ных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ни­же КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).

Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генериру­ются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обус­ловливают фототек в солнечных элементах.

Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось до­стичь при использовании р-i-n структур.

47. Модели структуры энергетических зон.

Аморфная структура а-Si:Н налагает ряд ограничений на электронные свойства материала. Полупроводниковые свойства идеальных кристаллических тел хорошо описываются зонной теорией.

В неупорядоченных полупроводниках дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми.

Еще в середине 50-гг А.Ф.Иоффе сформулировал эмпи­рическое правило, согласно которому за полупроводниковые свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное со­стояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога.

Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Од­нако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материа­ле. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупро­водников имеется некая граница между нелокализованными и локализо­ванными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позво­ляющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства не­упорядоченных материалов.

Наибольшее распространение получили представления, основан­ные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состоя­ния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.

На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моде­лей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.

В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запре­щенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, от­деляющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энер­гии между ними - щелью по подвижности.

Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состоя­ний довольно узкие и распространяются в запрещенную зону на несколь­ко десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины запрещенной зоны, обязан­ных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. обо­рванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов по­движности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в которых одна зона дефектных уровней заменялась двумя или нескольки­ми зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.

М(Е)

Все перечисленные модели различным образом отражают струк­турные особенности неупорядоченных полупроводников, приводящие к появлению локализованных состояний в запрещенной зоне.

На это месте должен быть рисунок