Введение к работе
Актуальность работы.
Прогресс в технологии аморфного гндрогенизированного кремния (a-Si:H) и его сплавов, достигнутый за последние десять лет, во многом определяет сегодня темпы развития целого ряда направлений твердотельной электроники, ориентированных, главным образом, на разработку и создание изделий силовой и бытовой электроники. Среди наиболее значительных применений этого класса материалов следует отметить дешевые преобразователи солнечной энергии на больших площадях, адресуемые матрицы транзисторов для жидкокристаллических экранов, различные компоненты оргтехники, включая устройства для факсимильной печати, сенсоры и дозиметры различного диапазона излучения и многие другие.
В то же время, разработка все более сложных устройств, например, таких как электролюминесиеитные приборы на основе аморфных сверхрешеток и гетероструктур из аморфного гндрогенизированного кремния и его сплавов, выдвигает все более жесткие требования к технологии получения этого класса материалов. Одним из таких требований является увеличение скорости роста пленок при сохранении "хороших" оптоэлектронных свойств и стабильности характеристик приборов на их основе. Противоречивость данного требования заключается в том, что увеличение скорости роста, как правило, сопровождается формированием структурно неоднородных пленок, что оказывает влияние на спектр электронных состояний и метастабильные процессы в материале.
Одним из следствий такого влияния является низкая стабильность характеристик приборов, изготавливаемых на основе a-Si:H, что на сегодняшний день является сдерживающим фактором на пути широкого применения данною класса материалов. Более того, стандартная промышленная технология получения пленок a-Si:H и сплавов на его основе.
а также режимы термических обра . ок характеризуются температурами порядка 100-300 "С, при которых мезлстабильные изменения в материале происходят за малые характеристические времена и наиболее интенсивно. В этой связи проблема выявления взаимосвязи между формирующейся в материале структурной неоднородностью, его электрофизическими свойствами и стабильностью характеристик к воздействию различных внешних факторов (термообработки, излучение) является чрезвычайно актуальной.
Цель работы.
Выявление природы влияния структурно-химической неоднородности на электронный спектр плотности состояний и кинетику метаста-бильных изменений в пленках a-Si:H и сплавах на его основе.
Научная новизна.
Разработаны методологический подход, позволяющий эффективно изучать метастабильные процессы в пленках a-Si:H и сплавов на его основе, и методики для комплексного измерения оптических и электрофизических параметров неупорядоченных материалов в широкой области температур.
Изучено влияние микроструктурных неоднородностей на электронный спектр плотности состояний и электрофизические свойства пленок а-Si:H. Показано, что природа влияния границ раздела на электрофизические свойства и стабильность характеристик структур a-Si:H - диэлектрик связана с образованием низкоомного канала проводимости по границе раздела, ответственного за возникновение эффекта нелинейности на кривых температурных зависимостей темповой проводимости. Установлено, что природа канала проводимости определяется наличием в материале подложки встроенного положительного 'заряда, а величина наблюдаемого эффекта контролируется структурно-релаксационными процессами,
протекающими в a-Si:H на границе раздела а-8і:Н7подложка. Разработана модель, описывающая влияние границ раздела на транспорт носителей заряда в структурах на основе a-Si:H.
Впервые проведено исследование термической и временной стабильности пленок a-Si:H с помощью совместного анализа данных измерений эффекта Стэблера-Вронского и дифференциальной сканирующей калориметрии. Разработана уникальная методика оценки параметров кинетики структурно-релаксационных процессов в a-Si:H с помощью данных ДСК. Обнаружено, что процессы отжига метастабильных дефектов, исследованные методом ДСК и измерением эффекта Стэблера-Вронского, характеризуются единой кинетикой, что указывает на их общую природу. Предложена модель, описывающая взаимосвязь микроструктуры материала (содержание водорода и микроструктурных неоднородностеіі) и кинетики генерации и отжига метастабильных дефектов.
Практическая значимость. Разработанный методологический подход, а также методика и аппаратура для комплексного исследования электрофизических свойств и метастабильных процессов в пленках a-Si:H и сплавов на его основе может найти применение в отраслевых и научно-исследовательских лабораториях при изучении физических свойств неупорядоченных полупроводников. Результаты и выводы работы, касающиеся определения влияния границ раздела аморфный полупроводник - диэлектрик на электрофизические свойства и стабильность структур на основе аморфного гидрогенизированного кремния использованы при создании тонкопленочных нолевых транзисторов для полноцветного матричного экрана, о чем свидетельствует соответствующий акт, приложенный к диссертации. Разработана уникальная методика оценки параметров кинетики структурно-релаксационных процессов в a-Si:H с помощью данных дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), которая может быть использована для экспресс-анализа стабильности
пленок на основе a-Si:H. Результаты по выявлению природы влияния структурно-химической неоднородно' «и на электрофизические свойства и стабильность пленок a-Si:H показали, что использование технологии осаждения материала в плазме тлеющего НЧ (55 кГц) разряда при повышенных скоростях роста пленок является перспективным способом получения материала для высокостабильных приборов твердотельной электроники.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Механизм влияния микроструктурных неоднородностей на электронный спектр плотности состояний и электрофизические свойства a-Si:H, полученных при повышенных скоростях осаждения, определяется характерными концентрациями [Silb] групп (0.18-0.25), обеспечивающих оптимальные значения электрофизических характеристик и стабильности материала.
-
Природа влияния границы раздела на электрофизические свойства и стабильность характеристик структур аморфный полупроводник-подложка связана с образованием низкоомного канала проводимости по границе раздела a-Si:H - диэлектрик вследствие наличия в диэлектрике встроенного положительного заряда. Возникновением канала проводимости объясняется эффект нелинейности на кривой температурной зависимости темновой проводимости. Величина этого эффекта определяется структурно-релаксационным процессом в a-Si:H на границе раздела, кинетика которого контролируется диффузией водорода.
-
На основании совместного анализа измерений эффекта Стэблера-Вронского и ДСК выявлена единая природа процессов отжига метаста-бильных дефектов, обусловленная квазихимической реакцией между слабыми связями Si-Si и оборванными связями Dfl.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих конференциях:
II Республиканская научно-техническая конференция "Физико-
химические основы получения и исследования полупроводниковых мате
риалов в твердом и жидком состоянии" (Таджикистан, г. Куляб, ноябрь
1992г.); конференция международного исследовательского общества MRS
[Сан-Франциско, апрель 1993г.); конференция международного исследо
вательского общества MRS (Бостон, сентябрь 1993г.); конференция меж
дународного исследовательского общества MRS (Сан-Франциско, май
1995г.); Межвузовская научно-технической конференции
"Микроэлектроника и информатика" (Москва, МИЭТ, апрель 1995г.); VII Всероссийская научно-техническая конференция "Датчик -95" (Крым, май 1995 г.); Международная школа-конференция по физическим проблемам з материаловедении полупроводников (Черновцы, Украина, сентябрь 1995); Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и інформатика" (Москва, МГИЭТ, ноябрь 1995г.); межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика" (Москва, У1ИЭТ, апрель 1996); конференция международного исследовательского общества MRS (Сан-Франциско, апрель 1996г.)
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 17 работ, включая 1 обзор, оригинальные статьи в отечественных и зару-Зежных периодических изданиях и доклады на конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 142 страницы ма-нинописного текста, включая 8 таблиц, 49 рисунков и список литературы і количестве 129 наименований.