Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Уточкин Иван Геннадьевич. Исследование структурных и электрофизических характеристик пленок на основе Z-Si:H, полученных в плазме НЧ разряда : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.10.- Рязань, 2005.- 172 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-1/93

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Глава 1. Структурные особенности и физические свойства неупоря
доченных полупроводников
11

  1. Атомарная структура неупорядоченных полупроводников 11

  2. Энергетическая структура носителей заряда в пленках неутюрядочен- 14 ных полупроводников.

  3. Поверхностные и объемные состояния в неупорядоченных полупроводниках 19

  4. Влияние микроструктуры поверхности на оптические и электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников 19

  5. Влияние технологических режимов на микроструктуру поверхности пленок неупорядоченных полупроводников 23

  1. Механизмы токопереноса и оптические свойства неупорядоченных полупроводников 28

  2. Методы исследования поверхностных и объемных состояний, и структуры поверхности неупорядоченных полупроводников. 36 Выводы по главе 1 42

Глава 2. Разработка методики исследования электрофизических харак
теристик поверхности пленок неупорядоченных полупроводников с по
мощью атомно-силовой микроскопии
43

2.1.0сновные элементы и общий принцип работы атомно-силовой микро
скопии 43

2.2; Метод поверхностных потенциалов или метод зонда Кельвина в тех
нике АСМ применительно к неупорядоченным полупроводникам 61

2.3. Разработка физических основ методики измерения поверхностных по
тенциалов, распределения электрического поля и плотности поверхностных
состояний в неупорядоченных полупроводниках с помощью АСМ 66

2.3.1. Метод расчета плотности поверхностного заряда и концентра
ции ионизированных поверхностных и объемных состояний в неупорядо
ченных полупроводниках 67

2.3;2. Метод расчета толщины области пространственного заряда и плотности локализованных состояний в неупорядоченных полупроводниках 70

  1. Методика расчета падения напряжения на квазинейтральной области неупорядоченного полупроводника с учетом толщины области пространственного заряда 73

  2. Оценка погрешности косвенных измерений 75 Выводы по главе 2 78 Глава 3. Экспериментальные методы исследования структурных и электрофизических свойств пленок a-Si:H и a-SiC:H 79

  1. Определение параметров шероховатости поверхности пленок неупорядоченных полупроводников 79

  2. Тестирование АСМ на образцах с известной геометрией 81

  3. Определение толщины пленок a-Si:H и a-SiC:H методом АСМ 83

3.4. Методика исследования спектров оптического пропускания пленок
неупорядоченных полупроводников 84

3.5. Подготовка экспериментальных образцов 85
3:5.1. Технология осаждения пленок неупорядоченных полупроводни
ков в плазме низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда 85

3.5:1. Разработкатопологии и конструкции экспериментальных образ
цов 96

3.5.2. Обоснование выбора технологических режимов получения пле
нок на основе a-Si:H 98
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Исследование структурных, оптических и электрофизических
свойств нелегированных пленок на основе a-Si:H.
101

4.1. Исследование структуры поверхности, оптического поглощения и
распределения электрического поля и потенциала в нелегированных пленках
a-Si:H 101

4.1.1. Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных
особенностей: нелегированных пленок a-Si:H в зависимости от температуры
осаждения на подложку. Закономерность сохранения микроструктуры по
верхности пленок a-Si:H 101

4.1.2. Исследования взаимосвязи электрофизических и структурных
особенностей нелегарованных пленок a-Si:H в зависимости от времени осаж
дения на подложку 118

4.2. Исследования взаимосвязи структуры поверхности, оптического по
глощения и распределения электрических полей и потенциалов в нелегиро
ванных пленках a-SiC:H в зависимости от содержания метана в газовой фазе 138
Выводы по главе 4 157

Основные результаты и выводы 159

Литература 161

Введение к работе:

Быстро развивавшиеся в последние годы исследования некристаллических полупроводников составляют в настоящее время одну из наиболее активных и привлекательных областей физики конденсированного состояния. Благодаря своим уникальным свойствам некристаллические.полупроводники, стали базой: многих устройств и приборов. Наиболее важным и перспективным среди них по применению является аморфный гидрогенизированный кремний.(a-Si:H). Объем производства приборов на его основе, среди которых: солнечные элементы, матрицы тонкопленочных.транзисторов, электрофотографические слои, устройства долговременной и оперативной памяти, значительно превышает производство других материалов этого класса. Основное преимущество данного материала по сравнению с монокристаллическим кремнием связано со значением величины фотопоглощения и фото-чувствительности. Так, к примеру, оптическое поглощение аморфного кремния, полученного в плазме тлеющего разряда, в 20 раз превышает оптическое поглощение в кристаллическом кремнии [1].

С технологической точки зрения преимущества многих устройств и приборов, в частности солнечных элементов, на основе a-Si:H по сравнению с аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами связаны с более низкими температурами их изготовления (< 300 С), что позволяет использовать дешевые стеклянные и тонкие гибкие подложки и снизить в 20 раз потребности в кремнии. Объектами для нанесения аморфных полупроводников могут1 служить практически любые подложки (металлы, кристаллические полупроводники, диэлектрики) и поверхности большой площади[1].

Однако, для широкого применения неупорядоченных полупроводников, необходимо решение ряда проблем, среди которых наиболее важными являются:

-высокая чувствительность структуры, и как следствие электрофизических свойств материала, к технологическим условиям получения, что приводит к слабой воспроизводимости характеристик получаемых слоев пленок a-Si:H;

- метастабильность структуры и характеристик a-Si:H, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов на его основе, вызывает серьезные пробле-

мы при использовании таких методов как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материала к внешним воздействиям.

Эти проблемы связаны между собой и. обусловлены тем, что до сих пор, в большинстве случаев, остаются не объяснимыми закономерности формирования и последующей эволюции структуры a-Si:H. Это выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, электрофизическими, физико-химическими свойствами материалов и условиями их роста. Прежде всего, это относится к различным структурным неоднородностям, которые оказывают решающее влияние на стабильность характеристик приборов на основе a-Si:H.

Выявление взаимосвязи между структурой поверхности слоев неупорядоченных полупроводников и их электрофизическими характеристиками необходимо для объяснения физических процессов происходящих на границах раздела: барьерах Шотки, р-n переходах и т.д. Кроме того, тенденция уменьшения габаритных размеров элементов интегральной электроники и уход в область наноразмеров, на-нотсхнологий предусматривает применение методов, позволяющих проводить исследования структурных и электрофизических характеристик поверхностей в локальных областях. К таким методам относятся наиболее распространенные: атомно-силовая и туннельная микроскопии.

Таким образом, указанные проблемы, обладают большой общностью и обуславливают необходимость развития представлений о закономерностях формирования структуры некристаллических полупроводников, установления взаимосвязи между структурой, электрофизическими, физико-химическими, свойствами материалов и условиями их роста для повышения стабильности и надежности работы приборов на неупорядоченных полупроводниках.

Цель работы

Установление взаимосвязей между структурой поверхности, технологией получения и.электрофизическими свойствами пленок на основе a-Si:H для расширения представлений о физических процессах, имеющих место в неупорядоченных полупроводниках.

Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач

  1. Проведение аналитического обзора структурных особенностей и электрофизических свойств неупорядоченных полупроводников.

  2. Анализ методов исследования поверхности, поверхностных и объемных состояний и определение возможности применения атомно-силовой микроскопии для решения поставленной цели.

  3. Разработка методики определения поверхностных потенциалов, распределения электрического поля и плотности состояний в неупорядоченных полупроводниках на локальных поверхностях по результатам экспериментов на атомно-силовом микроскопе.

  4. Изучение влияния технологических режимов получения пленок a-Si:H, a-SiC:H на поверхностные и объемные свойства неупорядоченных полупроводников.

  5. Установление взаимосвязи технологических факторов со структурными, электрическими и оптическими свойствами нелегированных пленок a-Si:H, a-SiC:H.

Научная новизна

  1. Получены новые аналитические выражения для расчета плотности локализованных состояний на равновесном уровне Ферми, концентрации поверхностных и объемных состояний, ширины области пространственного заряда, учитывающие величину поверхностного потенциала и напряжения плоских зон в пленках неупорядоченных полупроводников.

  2. Разработана новая методика измерения поверхностного заряда, распределения электрических полей^ потенциалов и плотности локализованных состояний в пленках на неупорядоченных полупроводниках посредством атомно-силовой микроскопии, отличающаяся от других известных методов возможностью получать распределения электрических полей и потенциалов, как по площади сканирования, так и по глубине полупроводника.

  3. Впервые для пленок a-Si:H, a-SiC:H на площадях до 10 нм , измерен поверхностный потенциал и напряжение плоских зон методом зонда Кельвина с применением техники атомно-силовой микроскопии, что позволило определить наличие флюктуации поверхностных потенциалов на этих пленках.

4. Впервые экспериментально подтверждена закономерность сохранения микроструктуры (морфологии) поверхности (Tsi/Pi ~ Tgj: /Pj) при пропорциональном изменении температуры подложки Ts в пределах от 40 до 325 "С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па для пленок на основе a-Si:H, полученных методом низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда. Практическая значимость работы

  1. Разработана методика количественного определения поверхностных потенциалов и распределения электрических полей в пленках неупорядоченных полупроводников, посредством атомно-силовой микроскопии, позволяющая измерять эти величины на площадях порядка 10 нм2 и использовать ее в нанотехнологических процессах для контроля нанообъектов. Методика может применяться также и для кристаллических, органических полупроводников и других твердотельных материалов, тем самым, расширяя технические возможности атомно-силовой микроскопии.

  2. Разработана новая методика определения толщины пленок полупроводников, диэлектриков и других материалов, в пределах от 1 им до 5 мкм посредствам АСМ, позволяющая измерять толщины с разрешением 1 нм.

  3. Показано что, при одновременном изменении температуры подложки в пределах от 40 до 325 С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па, микроструктуры поверхности пленок a-Si:H остаются постоянными. Что позволяет изменять электрофизические параметры слоев пленок a-Si:H при сохранении микроструктуры поверхности.

  4. Установлены взаимосвязи между параметрами осаждения, микроструктурой и электрофизическими свойствами пленок a-Si:H, a-SiC:H, полученных методом НЧ ПХО, позволяющие обеспечить выбор технологических режимов осаждения для получения пленок с заданными электрофизическими характеристиками.

На защиту выносятся следующие положения

1. Аналитическое выражение, позволяющее определить плотность локализованных состояний на равновесном уровне Ферми gFa по результатам значений поверхностного потенциала s и напряжения плоских зон UFB-

*V;

0 qs

2 rV*y-Un-V

V Z J

где o, sh є$ ~ диэлектрические проницаемости вакуума, среды между проводящим зондом и образцом и полупроводника соответственно, q - заряд электрона, UBV -постоянное напряжение, прикладываемое к образцу, Z - толщина промежуточного слоя между проводящим зондом и образцом.

  1. Новая методика определения количественных характеристик электрических по-лей^ (F < 106 В/см), поверхностных потенциалов (0,05<^<1В), плотности состоя-ний(по выражению приведенному в п. 1) и их распределение но координатам и энергиям в высокоомных полупроводниках (ps > 1011 Ом-см). Данная методика, отличается тем, что позволяет измерять перечисленные величины как по поверхности в пределах области сканирования (от 10"9 м до 10"6 м), так и в глубь полупроводника на ширину области пространственного заряда;

  2. Экспериментальные результаты, показывающие взаимосвязь между оптической шириной запрещенной зоны Eg в пленках a-Si:H, a-SiC:H и размерами кластерных образований на поверхности пленок: в пленках a-Si:H выращенных на подложках с проводящим окислом при увеличении среднего диаметра кластеров Dmmn от 220 до 520 нм Eg уменьшается с 1,86 до 1,68 эВ, в пленках a-SiC:H при увеличении среднего диаметра кластеров Dmean от 250 до 570 нм& увеличивается с 1,77 до 2,28 эВ. А. Закономерность сохранения микроструктуры (морфологии) поверхности (Tsi/ Р( TSJ/P}) при пропорциональном изменении температуры подложки Ts в пределах от 40 до 325 С и давлении газов в камере Р от 132 до 252 Па для пленок на основе a-Si:H, полученных методом низкочастотного (55 кГц) тлеющего разряда. При выполнении закономерности, микроструктура получаемых слоев нелегированных пленок a-Si:H (шероховатость Sai высота Zmeaи диаметр Dmem островков) остается неизменной, а электрофизические свойства напротив меняются (плотность локализованных состояний на равновесном уровне Ферми gFo уменьшается в среднем с 1,7-Ю17 до 3,8-Ю16 см'^Эв"1, оптическая ширина запрещенной зоны Es увеличивается с 1,66 до 1,72 эВ).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X Всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (г. Зеленоград, 2003); X, XI, XII Международных научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2003, 2004, 2005» (г. Москва, 2003,. 2004, 2005); X Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, 2004); III и IV Международных научно-технических конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004); XXXVI - XXXVIII научно-технической конференции (г. Рязань, 2002, 2003, 2004); биомедицинские аппараты и системы (г. Рязань, 2004); 2nd International Conference Proceedings «Physics of electronic materials» (Kaluga, 2005); XI всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2005); VII Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2005). Публикации

По результатам исследований опубликовано 40 научных работ, из которых 7 статей в рецензируемых российских журналах, 9 статей в других изданиях, включая сборники научных трудов РГРТА, 21 тезис докладов на российских и международных конференциях и 3 отчета по научно-исследовательским работам. Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 171 страницу машинописного текста, включая 14 таблиц, 74 рисунка, 104 формулы и список литературы в количестве. 122 наименований.

Внедрение результатов

Полученные экспериментальные результаты использованы в ИМИ РАН (г. Ярославль) при разработке и оптимизации технологии получения фоточувствительных слоев и приборов на их основе, ЗАО «Инструменты нанотехнологии» (г. Зеленоград) при разработке методов исследования АСМ, при выполнении серии НИР и в учебном процессе в лекционном курсе «Измерительные преобразователи и электроды» и лабораторном практикуме по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов». Исследования были поддержаны грантом Министерства образования и науки РФ в 2003-2004 гг. (НИР 28-ОЗГ «Исследование поверхностей твердых тел методом атомно-силовой микроскопии»).

Подобные работы
Анисимов Олег Викторович
Электрические и газочувствительные характеристики полупроводниковых сенсоров на основе тонких пленок SnO2
Шварц Максим Зиновьевич
Экспериментальные методы исследования характеристик гетероструктурных солнечных элементов и фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения
Тарасов Илья Сергеевич
Исследование излучательных характеристик гетероструктур InGaAsP/IпР и лазеров на их основе
Курятков Владимир Вениаминович
Разработка и исследование электрических и оптических характеристик фотодетекторов ультрафиолетового диапазона спектра на основе твердых растворов Al(x)Ga(1-x)N
Логинова Екатерина Александровна
Исследование электрических и электролюминесцентных характеристик гетероструктур на основе нитрида галлия
Лычагин Евгений Викторович
Исследование электрических и температурных характеристик планарно-диффузионных симисторных структур
Векслер Михаил Исаакович
Исследование электрофизических и оптических характеристик кремниевых МОП структур с туннельно-тонким диэлектриком
Каштанкин Илья Александрович
Моделирование и исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными вольт-амперными характеристиками
Слепнева Марина Анатольевна
Газовые сенсоры на основе пленок SnO(2-x) для "Электронного носа"
Сарач Ольга Борисовна
Создание газовых сенсоров на основе тонких пленок диоксида олова

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net