Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
All.docx
Скачиваний:
21
Добавлен:
14.09.2019
Размер:
3.88 Mб
Скачать

11А. Аморфні напівпровідники. Виготовлення тонких плівок з аморфних н/п.

Аморфні напівпровідники - напівпровідникові матеріали, що ха­рактеризуються наявністю ближнього порядку та відсутністю далекого. Аморфні та склоподібні напівпровідники за складом і структурою на­лежать до халькогенідних, оксидних, органічних і тетраедричних. Халькогенідні склоподібні напівпровідники отримують шляхом охо­лодженням розплаву або випаровування у вакуумі. До таких матеріа­лів належать селен і телур, а також дво- та багатокомпонентні скло­подібні сплави халькогенідів - сульфідів, селенідів і телуридів - із різ­номанітними металами, наприклад As-S-Se, As-Ge-Se-Te, As-Sb-S-Se. Елементарні тетраедричні аморфні Ge та Si отримують найчастіше іонним розпиленням у різноманітних атмосферах, що мі­стять водень, або через дисоціацію газів, зокрема SiH4 і GeH4 у висо­кочастотному розряді.

Усі особливості аморфних і склоподібних напівпровідників визна­чаються особливостями енергетичного спектра електронів, зокрема завдяки ближньому порядку у таких матеріалах спостерігаються об­ласті із високою та низькою щільністю електронних станів. Тому мо­жна умовно говорити про зонну структуру аморфних напівпровідників. При цьому розупорядкованість структури спричиняє появу додатко­вих дозволених електронних станів, щільність яких g(Е) спадає вглиб забороненої зони, утворюючи так звані хвости щільності станів (рис. 1). Як наслідок порушення далекого порядку різкий перехід між дозволеними та забороненими рівнями стає поступовим із розмитими границями. Деякі із локальних дефектів спричиняють появу всередині забороненої зони дозволених рівнів електронних станів, дуже часто - із високою щільністю (рис. 1 б). Максимуми N(Е), обумовлені дефектами структури, можуть виникати всередині щілини та перекриватись один з одним, як і самі "хвости" (рис. 1 в). Унаслідок щільність станів елек­тронів і дірок тільки знижується між зоною провідності та валентною зоною, але не досягає нульового значення, як зазвичай відбувається у забороненій зоні кристалічного напівпровідника.

Електронні стани у "хвостах" поділяються на локалізовані та делокалізовані. Останні дають внесок до процесів електроперенесення та часто називаються струмопровідними. Різкі границі між цими ста­нами називаються краями рухливості (Еc та Еv), а відстань між ними - забороненою зоною або щілиною рухливості (Eg).

Залежно від того, як формується густина станів аморфного матеріалу, виділяють три механізми провідності, які виявляються за різних температур. Перший - це перенесення по делокалізованих станах носіїв заряду, що збуджені за край рухливості. При цьому статична провідність ст у широкому інтервалі температур визначається формулою

(1)

де ЕF - енергія Фермі, = 103 -104 Ом-1 см -1. Іншим механізмом є стрибкове перенесення носіїв заряду, що збуджені у локалізовані стани поблизу країв рухливості (напр., у стани між ЕA та Ес). У цьому випадку

(2)

з енергією активації стрибка W і < 10 Ом-1 см-1 . Третім механізмом провідності є стрибкове перенесення по локалізованих станах поблизу ЕF

(3)

При цьому перші два механізми більш характерні для халькогенідних склоподібних напівпровідників, а третій - для елементарних тетраедричних напівпровідників. Рухливість носіїв заряду таких напівпровідників є незначною ~ 10-5 -10-8 см2 В-1с-1 і залежить від товщини зразка та прикладеного до нього електричного поля. Така залежність пов'язується або з багаторазовим захопленням носіїв на локалізовані стани, що розподілені за деякою функцією розподілу, або зі стрибковим перенесенням. Для більшості халькогенідних склоподібних на­півпровідників провідність та енергія активації не залежать від при­роди та концентрації домішок, оскільки зазвичай домішкові атоми виявляють максимальну валентність, віддаючи всі свої валентні елек­трони на утворення ковалентних зв'язків з атомами основної речовини. Однак домішки перехідних металів, таких як Ni,Fe, W тощо, спричи­няють появу домішкової провідності, що викликає різке зростання провідності аморфного матеріалу, зокрема аморфний кремній вдається ефективно легувати фосфором і бором. У багатьох халькогенідних стек­лах спостерігається ефект переключення, що полягає у швидкій

(~ 10-10 с) зміні характеру провідності з високоомного до низькоомного стану під дією електричного поля із напруженістю > 102 В*см-1. Цей ефект пов'я­зується з інжекцією носіїв заряду з контакту та делокалізацією захоп­лених носіїв. Поряд із цим збільшення провідності спричиняє зрос­тання температури у шнурі струму. Зазвичай ефект переключення є відворотнім. Але в деяких халькогенідних стеклах низькоомний стан зразка зберігається досить довго, і для повернення у високоомний стан необхідно пропустити через зразок короткий імпульс струму. Такий ефект пам'яті може бути пояснений частковою кристалізацією речо­вини в області струмового шнура.

Із приводу оптичних властивостей аморфних і склоподібних на­півпровідників варто зазначити, що край основного поглинання світла в них можна поділити на три ділянки. В області високих значень ко­ефіцієнта поглинання (α > 104 см-1) його залежність від частоти можна описати формулою

(4)

де константа В ~105-106 см-1еВ-1, а - оптична ширина заборо­неної зони. В області середніх значень коефіцієнта поглинання

1см-1 < α < 103-104 см-1

залежність α від частоти має вигляд

(5)

де А = 15-20 еВ-1. Область слабкого оптичного поглинання (α < 1 см-1) визначається поглинанням світла на дефектах структури.

Фотопровідність в аморфних напівпровідниках залежить від інтен­сивності світла за законом

(6)

де A - константа, I - інтенсивність світла, що поглинається, а показник може змінюватись в інтервалі значень від 0,5 до 1,0. Спектральна залежність характеризується максимумом і пологим довгохвильовим плечем. При цьому досягає максимального значення у тій об­ласті температур, де і за зниженням температури спадає експоненційно, а в області низьких температур спадання уповільнюється. Така поведінка пояснюється прилипанням і рекомбінацією нерівноважних носіїв на локальних центрах, що неперервно розподілені у забороненій зоні.

Виготовлення тонких плівок з аморфних н/п.

Синтез аморфних форм кремнію і германію. Аморфні кремній і германій отримують шляхом їх випаровування і конденсації в глибокому вакуумі або катодного розпилення в аргоновій плазмі. Для отримання аморфного гідрогенізованого кремнію (а - Si: H) широко використовується метод розкладання моносілана SiH4 в плазмі тліючого розряду. Велике поширення останнім часом отримали: метод хімічного осадження(випадання в осад, конденсація ІМХО) з парової фази (CVD-технологія), магнетронне розпорошення кремнієвої мішені, електронне випаровування в присутності атомарного потоку водню. Метод високочастотного іонно-плазмового розпилення кремнієвої мішені в атмосфері аргоноводневої суміші універсальний, простий і в той же час дозволяє отримувати плівки а - Si: H великої площі з високим ступенем однорідності за площею і товщиною (в тому числі і леговані плівки а - Si: H ). Зазначені методи залежно від умов експерименту (швидкості осадженні, температури підкладки, наступної термообробки, залишкового тиску газів в установці) дозволяють отримувати аморфні шари, що сильно розрізняються за властивостями.

При отриманні аморфного кремнію методом розкладання SiH4 в тліючому розряді в продуктах реакції міститься 5-50 мол. % водню, а замість чистого кремнію - макромолекули сітчастого полімеру поліциклосілана. Склад одержуваних плівок залежить від типу розряду, його потужності, парціального тиску й витрати SiH4, температури підкладки. Загалом, вміст водню зменшується при підвищенні температури підкладки; зазвичай використовують температуру 470-650 К при робочому тиску 0,05-2,0 мм рт.ст. Легування з газової фази є найбільш ефективним способом одержання а - Si: H різного типу провідності. Однак при всіх наступних технологічних операціях при температурах вище 400 ° С відбувається втрата основних властивостей матеріалу із-за ефузії водню. Іншим способом легування а - Si: H є високочастотне іонно-плазмове розпилення кремнієвої мішені в атмосфері аргоноводневої суміші, де легування матеріалу в процесі його отримання здійснюється шляхом спільного розпилення кремнієвої мішені і розміщених на її поверхні легантів. Аморфні шари в системах Si-С, Si-Ge і Ge-Sn можна отримати тими ж методами, що і для і Si та Ge.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]