Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из насущных проблем современной твердотельной электроники является создание датчиков, обладающих высокой чувствительностью в области ультрафиолетового (УФ) и видимого излучения. Среди областей применения таких датчиков можно отметить металлургию и микроэлектронную технологию, экологию и медицину, животноводство и сельское хозяйство, военную технику, метрологию и другие. Обычно используемые для этих щелей монокристаллические широкозонные полупроводники обладают достаточно высокой стоимостью, что оправдано в прецизионных сенсорах, но неприемлемо в случае массового производства. Компромисс между стоимостью и электрофизическими параметрами может быть найден при использовании такого материала, как аморфный гидрогенизиро-ванный кремний (cc-Si:H).
Исследования пленок a-Si:H показали, что они характеризуются высокой фотопроводимостью, большим коэффициентом поглощения, возможностью эффективного легирования. Однако, несмотря на более чем двадцатилетнюю историю использования a-Si:H, вопросы получения качественного материала с высокой воспроизводимостью и стабильностью параметров для сенсорных применений до сих пор не решены.
Для создания эффективных фотоприемных структур необходимы пленки a-Si:H с высокой фоточувствительностью, у которых отношение фотопроводимости Орь к темновой проводимости о"а было бы не ниже 104. Это требует дополнительных усилий в совершенствовании технологии получения пленок на базе наиболее распространенного метода - плазмохимического осаждения (ПХО), а также в исследовании возможности формирования в едином технологическом цикле различных сплавов a-Si:H, в частности с большей шириной запрещенной зоны для увеличения чувствительности в коротковолновой части спектра, и легированных слоев a-Si:H для созданияp-i-n структур. Кроме того, несомненный интерес представляют фогочувствительные гетерострукгуры с пленкой a-Si:H на монокристаллическом кремнии.
Для получения высоких значений по быстродействию и фоточувствительности в УФ и видимом диапазонах наиболее перспективными являются фотоприемники с барьером Шогтки (БШ). При их формировании необходимо решить проблемы создания воспроизводимого контакта металл-а-8і:Н с максимальной высотой потенциального барьера. В настоящее время отсутствуют модели для описания характеристик многослойных фото приемников на основе a-Si:H с барьером Шотт-ки и гетеропереходом, Все вышеуказанное делает работу актуальной.
Цель работы:
Разработка технологии формирования нелегированных и легированных пленок cc-Si:H с использованием метода циклического осаждения; проведение комплексных исследований параметров пленок и структур на их основе, полученных в разных технологических режимах; создание на основе пленок o>Si:H фотоприемников УФ и видимого диапазонов излучения разных типов с различными спектральными характеристиками.
Задачи диссертационной работы
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
разработка технологического режима формирования нелегированных пленок о> Si:H методом циклического плазмохимического осаждения на базе технологического комплекса однокамерного типа;
с целью повышения экологической чистоты производства разработка методов получения легированных пленок a-Si:H я-типа и р-тшш при замене традиционных фосфина и диборана диспрозием и триэтилбором (ТЭБ), а также рассмотрение возможности формирования в установке однокамерного типа в едином циклеp-i-n гетероструктур;
отработка режимов получения сплавов a-Si:H с углеродом различного состава, исследование влияния углерода на фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H, в том числе на их спектральные характеристики;
сравнительный анализ методов формирования барьерообразуюгцих платиновых электродов для фотоприемников (ФП).с барьером Шоттки на основе a-Si:H;
теоретический анализ фоточувствительных гетероструктур на монокристаллических кремниевых подложках с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки;
создание на базе пленок a-Si:H различных фотоприемников, эффективно работающих ъАпВ областях УФ излучения, а также в видимой части спектра;
разработка фотоприемной системы, обладающей селективной чувствительностью в С области УФ излучения;
исследование возможности повышения стабильности параметров фотоприемных структур на основе пленок a-Si:H.
Научная новизна работы:
1. Разработанный метод циклического ПХО с отжигом в водородной плазме позволяет получить пленки cc-Si:H с высокой фоточувствительностью Срь/о-^Ю7 (при условиях освещения AMI), отличающиеся повышенной стабильностью в процессе воздействия излучения.
-
Дополнительная тєрмообрабогка пленок a-Si:H, полученных методом циклического осаждения, приводит к повышению их стабильности при облучении, причем фоточувствительность пленок остается достаточно высокой (o-ph/CTd=105).
-
Установлено, что использование модели двух встречно включенных барьеров позволяет адекватно описать темновые вольт-амперные характеристики гетеро-сгруктуры с пленкой a-Si:H и барьером Шоттки, осажденной на кремниевую подложку.
-
Впервые на базе многослойной структуры с барьером Шоттки на a-Si:H, гетеропереходом на границе c-Si-a-Si:H и р-п переходом в монокристаллической кремниевой подложке получены фотоприемники, изменяющие свою спектральную чувствительность при изменении напряжения на структуре, обратно смещающего барьер Шоттки.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Отработана технология циклического плазмохимического осаждения нелегированных пленок ct-Sr.H, позволяющая достигать фоточувствительности агь/ал~107 при условиях освещения AMI. Показано, что дополнительная термообработка пленок a-Si:H в вакууме повышает их стабильность в процессе облучения.
-
Разработаны фотоприемники с барьером Шоттки на спектральный диапазон 220 - 400 нм, с чувствительностью 0,3 А/Вт, формируемые на никелевой фольге и отличающиеся низкой стоимостью.
-
Разработан и изготовлен датчик с перестраиваемыми параметрами на спектральный диапазон 400 - 1000 нм на базе гетерострукгуры с a-Si:H, сформированной на монокристалпической кремниевой подложке с эпитаксиальньш слоем.
-
Создано устройство, обладающее селективной чувствительностью к С области УФ излучения с максимумом спектральной характеристки на 230 нм, основанное на выделении разностного сигнала от мостовой схемы на фоторезисторах с a-Si:H.
-
Результаты работы вошли в отчет по НИР ГР/ДП-22 («Разработка научных основ и нетрадиционной технологии получения многослойных структур для эффективных преобразователей солнечной энергии на основе a-Si:H») и были использованы при выполнении грантов Copernicus IC15-CT98-0819 (TIMOC) и Intas № 97-1910. Кроме того, результаты работы использованы в НТП «ТКА» (г. Санкт-Петербург) при создании приборов для измерения оптического излучения УФ диапазона.
Научные положения, выносимые на защиту;
-
Использование модифицироваїшого циклического осаждения приводит к увеличению концентрации водорода, и, как следствие, ширины запрещенной зоны, наиболее полной пассивации им оборванных связей в сетке аморфного кремния. Это делает возможным получение пленок a-Si:H с отношением aph/o,i не хуже 106 (при условиях освещения AMI).
-
Вольт-амперные характеристики фотоприемных тонкопленочных структур, сформированных на монокристаллических кремниевых подложках осаждением пленки a-Si:H и барьерообразующего платинового электрода, адекватно описываются в рамках модели двух встречно включенных барьеров, учитывающей гетеропереход c-Si-a-Si:H.
-
В фотоприемниках на базе многослойной гетероструктуры, вьшолненной на кремниевой подложке с эпитаксиальньш слоем, удается эффективно менять спектральную чувствительность путем изменения напряжения, приложенного к структуре.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах: Второй Российской конференции по материаловедению и физико - химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний 2000», МИСиС, Москва, 9-11 февраля 2000 г.; Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», ФТИ им. А. Ф. Иоффе СПб, 5-9 июля 1998 г.; Всероссийской конференции «Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств», ИОНХ РАН, Москва, 17 - 19 ноября 1999 г.; научных молодежных школах по твердотельной электронике: «Твердотельные датчики» (Санкт - Петербург, 23 -25 ноября 1998 г.) и «Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлек-троники» (Санкт - Петербург, 4-11 декабря 1999 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1997 -2000 гг.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи и 5 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего .95 наименований. Основная часть работы изложена на 124 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка и 7 таблиц.
