Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
О. А. Голикова, Легирование и псевдолегирование аморфного гидрированного кремния (обзор), Фи- зика и техника полупроводников, 1991, том 25, вы- пуск 9, 1517–1535
Использование Общероссийского математического портала Math- Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользователь- ским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 118.70.116.132
5 ноября 2022 г., 17:48:49
УДК 621.315.592
Л Е Г И Р О В А Н И Е И П С Е В Д О Л Е Г И Р О В А Н И Е А М О Р Ф Н О Г О Г И Д Р И Р О В А Н Н О Г О К Р Е М Н И Я
О б з о р Голикова О . А .
Р а с с м о т р е н ы два н е з а в и с и м ы х с п о с о б а у п р а в л е н и я с в о й с т в а м и а м о р ф н о г о г и д р и р о в а н н о г о к р е м н и я : л е г и р о в а н и е и п с е в д о л е г и р о в а н и е . П р и п с е в д о л е г и р о в а н и и с д в и г и у р о в н я Ф е р м и в щ е л и п о д в и ж н о с т и п р о и с х о д я т в с л е д с т в и е т р а н с ф о р м а ц и й с т р у к т у р н о й с е т к и и п л о т н о с т и л о к а л и з о в а н н ы х с о с т о я н и й , что о б е с п е ч и в а е т с я в а р и а ц и я м и у с л о в и й о с а ж д е н и я п л е н о к . П о к а з а н о , что о с н о в н ы м п а р а м е т р о м , о п р е д е л я ю щ и м к о н ц е н т р а ц и ю д е ф е к т о в ( о б о р в а н н ы х с в я з е й ) и в е л и ч и н ы у д е л ь н ы х с д в и г о в (р/с) н о с и т е л е й з а р я д а , я в л я е т с я п о л о ж е н и е у р о в н я Ф е р м и в щ е л и п о д в и ж н о с т и н е з а в и с и м о от с п о с о б а е г о д о с т и ж е н и я ( л е г и р о в а н и е и л и п с е в д о л е г и р о в а н и е ) .
Т а к и м о б р а з о м , о б р а з о в а н и е д е ф е к т о в п р и л е г и р о в а н и и н е л ь з я с ч и т а т ь с о п у т с т в у ю щ и м ф а к т о р о м , к а к э т о п р е д п о л а г а л о с ь р а н е е . Р а с с м а т р и в а е м ы е д а н н ы е о с в о й с т в а х л е г и р о в а н н о г о и п с е в д о л е г и р о в а н н о г о м а т е р и а л о в м о ж н о и н т е р п р е т и р о в а т ь в р а м к а х о д н о й и т о й ж е «pool»- к о н ц е п ц и и о б р а з о в а н и я д е ф е к т о в .
Введение. Г и д р и р о в а н и е аморфного Si п р и в е л о к р а д и к а л ь н о м у с н и ж е н и ю плотности л о к а л и з о в а н н ы х состояний g ( е ) в щ е л и п о д в и ж н о с т и Е и тем самым обеспечило в а р ь и р о в а н и е э л е к т р и ч е с к и х и фотоэлектрических свойств м а т е р и а л а в ш и р о к и х п р е д е л а х путем л е г и р о в а н и я I1] . В этом отношении a-Si : Н сходен с к р и с т а л л и ч е с к и м S i . О д н а к о л е г и р о в а н и е a-Si : Н о т л и ч а е т с я г л а в н ы м
образом сопутствующими изменениями с т р у к т у р н о й сетки [2] .
Помимо л е г и р о в а н и я , существует и д р у г а я возможность у п р а в л е н и я с в о й ствами a-Si : Н — т о л ь к о за счет к о н т р о л и р у е м о г о и з м е н е н и я т е х н о л о г и ч е с к и х п а р а м е т р о в о с а ж д е н и я п л е н о к (псевдолегирование).
Д а в н о у ж е было известно, что э л е к т р и ч е с к и е и фотоэлектрические свойства п л е н о к a-Si : Н весьма чувствительны к изменениям у с л о в и й их о с а ж д е н и я д а ж е в р а м к а х одного технологического метода ( В Ч р а з л о ж е н и е с и л а н о с о д е р - ж а щ и х смесей, катодное распыление в п л а з м е водорода и д р . ) - Б о л ь ш о е ч и с л о т е х н о л о г и ч е с к и х п а р а м е т р о в (температура и скорость о с а ж д е н и я , состав га
зовой смеси и др.) з а т р у д н я е т их к о н т р о л ь , чем и о б ъ я с н я е т с я с и л ь н ы й р а з б р о с д а н н ы х о свойствах a-Si : Н , особенно в р а н н и х р а б о т а х . В р я д е р а б о т было п о к а з а н о , что э н е р г и я а к т и в а ц и и электропроводности (о*) АЕ у м е н ь ш а е т с я п р и у в е л и ч е н и и т е м п е р а т у р ы о с а ж д е н и я Т8, но в е л и ч и н а Ед п р и этом и л и не к о н т р о л и р о в а л а с ь , и л и т а к ж е считалась у м е н ь ш а ю щ е й с я [3 > 4] . П о э т о м у н е л ь з я б ы л о сделать однозначный вывод о с д в и г а х у р о в н я Ф е р м и п р и и з м е н е н и я х Т8
(АЕ=\ вс— \T = z 0 l гс — к р а й зоны проводимости). В [5] п р и одновременном к о н т р о л е АЕ и Ед было п о к а з а н о , что с ростом Т8 п р и с о х р а н е н и и н е и з м е н н ы м и д р у г и х т е х н о л о г и ч е с к и х п а р а м е т р о в eF действительно сдвигается в с т о р о н у ес. Соответственно а и <хф (фотопроводимость) качественно ведут себя к а к д л я а- Si : Н<(Р)>. Д а л е е б ы л и установлены и д р у г и е у с л о в и я о с у щ е с т в л е н и я п с е в д о л е г и р о в а н и я I6 , 7] . Т а к и м о б р а з о м , д а н н у ю с и т у а ц и ю можно с р а в н и т ь с и м е в ш е й место в свое в р е м я д л я к р и с т а л л и ч е с к и х п о л у п р о в о д н и к о в . Д е й с т в и т е л ь н о , х о т я и было известно, что н е к о н т р о л и р у е м ы е п р и м е с и п р и в о д я т к с и л ь н о м у р а з б р о с у и х свойств, н а п р а в л е н н о е изменение свойств стало в о з м о ж н ы м т о л ь к о
1991 PHYSICS AND TECHNICS OF SEMICONDUCTORS vol. 25. N 9
п о с л е о в л а д е н и я п р о ц е с с а м и с п е ц и а л ь н о г о л е г и р о в а н и я . Т о ж е м о ж н о с к а з а т ь с е й ч а с о п с е в д о л е г и р о в а н и и к а к о методе у п р а в л е н и я с в о й с т в а м и a-Si : Н .
Е с л и п р и л е г и р о в а н и и a-Si : Н е ^ с д в и г а е т с я з а счет и з б ы т к а (или недостатка) э л е к т р о н о в примесного атома п о с р а в н е н и ю с атомом S i , а и з м е н е н и я с т р у к т у р ной с е т к и и, с л е д о в а т е л ь н о , g (е) я в л я ю т с я с о п у т с т в у ю щ и м и ф а к т о р а м и , то при п с е в д о л е г и р о в а н и и они я в л я ю т с я основным ф а к т о р о м . П о э т о м у и з м е н е н и я с т р у к т у р н о й с е т к и в этих д в у х с л у ч а я х не о б я з а т е л ь н о д о л ж н ы иметь одинако
в ы й х а р а к т е р , особенно с учетом р а з н о о б р а з и я в о з м о ж н ы х с т р у к т у р н ы х элемен
т о в : о б о р в а н н ы х S i — S i - с в я з е й в н е й т р а л ь н о м ! )0 и з а р я ж е н н ы х D~- и / ^ - с о с т о я н и я х , с л а б ы х S i — S i - с в я з е й , к о м п л е к с о в S i H , S i H2, S i H3, ( S i H2) „r S i H S i . Ис
х о д я из этого н е л ь з я з а р а н е е с к а з а т ь , б у д у т л и о д и н а к о в ы м и э л е к т р и ч е с к и е и ф о т о э л е к т р и ч е с к и е п а р а м е т р ы л е г и р о в а н н ы х и п с е в д о л е г и р о в а н н ы х образцов a-Si : Н п р и A i ? = c o n s t , п о с к о л ь к у g (е) д л я н и х могут о т л и ч а т ь с я к а к по форме, т а к и по в е л и ч и н е . Т о г д а , н а п р и м е р , сг м о г у т о т л и ч а т ь с я и з - з а р а з л и ч и й в ве
л и ч и н е статистического сдвига s^:
a ^ = eNcV.e exp (T/A) exp (—LE/kT), ( 1 ) где Nc и [xc — эффективное число состояний и п о д в и ж н о с т ь в зоне проводимости,;
у — т е м п е р а т у р н ы й коэффициент з а з о р а (ес~— eF), в к о т о р ы й дают в к л а д ы как т е м п е р а т у р н ы й коэффициент Е , т а к и с т а т и с т и ч е с к и й сдвиг е^, з а в и с я щ и й от к р у т и з н ы к р и в о й g (е) в б л и з и s j . С т а ц и о н а р н а я аф л е г и р о в а н н ы х и псевдоле
г и р о в а н н ы х о б р а з ц о в п р и A i ? = c o n s t м о ж е т р а з л и ч а т ь с я из-за р а з л и ч и й в ве
л и ч и н е g ( s / ) , а р е з у л ь т а т ы в р е м я п р о л е т н ы х экспериментов — т а к ж е и вслед
с т в и е н е о д и н а к о в ы х к о н ц е н т р а ц и й г л у б о к и х л о в у ш е к .
В н а с т о я щ е й работе к р а т к о и з л о ж е н ы основные п р е д с т а в л е н и я о механизме л е г и р о в а н и я a-Si : Н (в и х р а з в и т и и ) и п р е д л а г а е м ы е в последнее в р е м я пред
с т а в л е н и я о п с е в д о л е г и р о в а н и и этого м а т е р и а л а . Совместное рассмотрение р а з л и ч н ы х методов сдвига д о л ж н о , н а н а ш в з г л я д , способствовать лучшему .пониманию в л и я н и я п р и р о д ы , к о н ц е н т р а ц и и и з а р я д о в о г о с о с т о я н и я дефектов н а свойства a-Si : Н . Р е з у л ь т а т ы ответа н а вопрос о р а з л и ч и я х п а р а м е т р о в ле
г и р о в а н н ы х и п с е в д о л е г и р о в а н н ы х о б р а з ц о в a - S i : Н , по-видимому, д о л ж н ы быть и н т е р е с н ы и с т о ч к и з р е н и я п р и м е н е н и й этого м а т е р и а л а . Они м о г у т , кроме -того, быть п о л е з н ы п р и и з у ч е н и и д р у г и х г и д р и р о в а н н ы х аморфных полупро
в о д н и к о в .
1. Л е г и р о в а н и е a-Si : Н . О с н о в н ы е м о д е л и
К а к было п о к а з а н о в [*] и п о с л е д у ю щ и х м н о г о ч и с л е н н ы х р а б о т а х , введение л р и м е с е й элементов I I I и V г р у п п П е р и о д и ч е с к о й системы Д . И . Менделеева из
м е н я е т э л е к т р и ч е с к и е свойства a-Si : Н в очень ш и р о к и х п р е д е л а х (рис. 1).
В н е л е г и р о в а н н о м a-Si : Н s^, к а к было о б н а р у ж е н о , н е с к о л ь к о с д в и н у т в сто
р о н у зоны проводимости от т о ч к и Ед12 (слабый гс-тип). П р и в в е д е н и и фосфора и бора с д в и г а е т с я в с т о р о н у ес и ev соответственно. Это о б ъ я с н я л о с ь н а ос
н о в е следующей модели. П р и введении, н а п р и м е р , фосфора о б р а з у ю т с я , как в с л у ч а е к р и с т а л л и ч е с к о г о S i , достаточно м е л к и е п р и м е с н ы е у р о в н и . Электроны -с этих у р о в н е й «сваливаются» в н и з , п о в ы ш а я у р о в е н ь sFOt Н о в о е п о л о ж е н и е ej- о п р е д е л я е т с я и з в ы р а ж е н и я
J g ( « ) / ( e ) d e , (2)
т д е п — ч и с л о э л е к т р о н о в , «поставляемых» атомами Р , / (е) — ф у н к ц и я распре
д е л е н и я . А н а л о г и ч н о м о ж н о описать действие а к ц е п т о р н ы х п р и м е с е й . Таким о б р а з о м , и з - з а конечной в е л и ч и н ы g (е) в Ед с и т у а ц и я отличается от имеющей м е с т о д л я к р и с т а л л и ч е с к о г о п о л у п р о в о д н и к а : у р о в е н ь Ф е р м и располагается в «запрещенной» зоне п о - д р у г о м у .
В t1] и п о с л е д у ю щ и х р а б о т а х Спира ф у н к ц и ю g (в) с т р о и л и по результатам и с с л е д о в а н и й эффекта п о л я р я д а л е г и р о в а н н ы х о б р а з ц о в : и з м е р я л и величину
151-8
g (s) При 8 = 6
ней части Ед g ( е ) ~ 1 01 7 эВ^А'См рованном материале a-Si ( 1 01 9
Fi отсчитывая энергию, н а п р и м е р , от ес. Б ы л о п о л у ч е н о , что в с р е д -
яг ( Р Л ~ 4 П 1 7 а Т Ч - 1 . л т и г - з ( рИ С # 2): это н а п о р я д к и н и ж е , чем в н е г и д р и - 1 02 0 э В - ^ с м "3) .
16
1д[ы,(см
Р и с . 1 . З а в и с и м о с т и э л е к т р о п р о в о д н о с т и a-Si : Н ( Г = 3 0 0 К ) от к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с н ы х а т о м о в N п р и л е г и р о в а н и и ф о с ф о р о м (Рх и PG: п р и л е г и р о в а н и и и о н н о й и м п л а н т а ц и е й и и з г а з о в о й ф а з ы с о о т в е т с т в е н н о ) , б о р о м ( к р и в ы е Бт и BG — т е ж е м е т о д ы л е г и р о в а н и я >
и д р у г и м и э л е м е н т а м и ( п е р е ч и с л е н ы н а р и с у н к е , к р и в а я Aj) [10].
Р и с . 2 . П л о т н о с т ь с о с т о я н и й в щ е л и п о д в и ж н о с т и a-Si : Н п о д а н н ы м э ф ф е к т а п о л я {1)г
Т О П З ( 2 ) , D L T S (3) [10].
Данные ТОПЗ приведены для пяти образцов, обозначенных разными символами.
И т а к , в р а м к а х п р и н я т о й модели Спира I1] считалось, что g (е) п р и л е г и р о в а н и и н е и з м е н я е т с я и сводится т о л ь к о к и з м е н е н и я м п о л о ж е н и я е*». С ч и т а я g (е) и з в е с т н о й , п р и известных сдвиге sF и к о н ц е н т р а ц и и атомов фосфора Nr п о л ь з у я с ь (2), н а х о д и л и отношение Nln. В данном с л у ч а е J V M ~ 3 , т . е. п о с р а в нению с к р и с т а л л и ч е с к и м Si э л е к т р и ч е с к а я а к т и в н о с т ь примесных атомов н и ж е . Это о б ъ я с н я л о с ь тем, что в аморфной с т р у к т у р н о й сетке не все атомы п р и м е с е й имеют к о о р д и н а ц и о н н о е число 4 .
П о з д н е е о п и с а н н у ю выше модель к р и т и к о в а л и в д в у х а с п е к т а х . В о - п е р в ы х , н и о т к у д а не с л е д о в а л о , что g (s) п р и л е г и р о в а н и и не и з м е н я е т с я . В о - в т о р ы х , п о д в е р г а л а с ь сомнению п р а в о м е р н о с т ь о п р е д е л е н и я из эффекта п о л я g (е), х а р а к т е р и з у ю щ а я объемные, а не поверхностные свойства о б р а з ц о в : к р и т и к а в е л а с ь в основном в этом а с п е к т е . Основанием были д а н н ы е о g (е), полученные посредством с п е к т р о с к о п и и г л у б о к и х у р о в н е й (DLTS) [8 г 9] (рис. 2 ) . Этот ме
т о д , п р и м е н е н н ы й к a-Si : Н < Р > , д а л на п о р я д к и м е н ь ш и е величины g (е) и от
л и ч н ы й в и д этой ф у н к ц и и . В частности, п р и вс — ес^ОЛ эВ н а б л ю д а л и минимум:
р е з у л ь т а т н а л о ж е н и я хвоста зоны проводимости и п а д а ю щ е г о у ч а с т к а полосы g{e), н а х о д я щ е й с я в средней ч а с т и Ед.
В п о с л е д с т в и и в [1 0 , 1 1 ] было о б н а р у ж е н о , что безусловно объемный метод Т О П З (токов, о г р а н и ч е н н ы х п р о с т р а н с т в е н н ы м зарядом) дает в е л и ч и н ы g (е), более б л и з к и е к п о л у ч е н н ы м и з эффекта п о л я , чем и з D L T S (рис. 2 ) . О д н а к о н а б л ю д а в ш е е с я р а с х о ж д е н и е д а н н ы х д л я н е л е г и р о в а н н ы х и л е г и р о в а н н ы х об
р а з ц о в a-Si : Н в о з в р а щ а л о к вопросу о в л и я н и и л е г и р о в а н и я н а ход g (е).
Д р у г и м с у щ е с т в е н н ы м ф а к т о р о м была н е в о з м о ж н о с т ь п о л у ч е н и я в ы р о ж д е н н ы х о б р а з ц о в a-Si : Н : д л я гг—a-Si : Н Д £ш 1 1 1с ^ 0 . 2 , д л я р—a-Si : Н A £m i n^ 0 . 3 5 э В . Это о б ъ я с н я л и эффектом с а м о к о м п е н с а ц и и : одновременно с л е г и р о в а н и е м до- н о р н о й п р и м е с ь ю о б р а з у ю т с я дефекты а к ц е п т о р н о г о т и п а и наоборот [1 2] .
М а к с и м у м в средней ч а с т и Е a-Si : Н н а б л ю д а л и р а з л и ч н ы м и методами в р я д е р а б о т [1 3~1 7] , причем и з у ч а л и к а к a-Si : Н < Т > , т а к и нелегированные о б р а з ц ы . В [1 6 , 1 8] , н е с м о т р я н а большой р а з б р о с д а н н ы х , было п о к а з а н о , что оА к а к ф у н к ц и я АЕ имеет м а к с и м у м п р и в0 — s ~ 0 . 4 эВ ( р и с . 3): это считалось д о к а з а т е л ь с т в о м с у щ е с т в о в а н и я м и н и м у м а g ( в ) . К а к у ж е г о в о р и л о с ь , этот ми
н и м у м о б я з а н с в о и м п р о и с х о ж д е н и е м н а л о ж е н и ю с о с т о я н и й хвоста зоны про
в о д и м о с т и и п о л о с ы , р а с п о л о ж е н н о й в средней ч а с т и Е^. В с т а л вопрос о природе д е ф е к т о в , к о т о р ы м и о б у с л о в л е н а эта п о л о с а .
И с с л е д о в а н и я Э П Р п о к а з а л и , что л е г и р о в а н и е п р и в о д и т к уменьшению ин
т е н с и в н о с т и с и г н а л а , т. е., к а з а л о с ь бы, к у м е н ь ш е н и ю к о н ц е н т р а ц и и оборван
н ы х с в я з е й [1 9] . Т е м не менее с и г н а л фото-ЭПР в о з р а с т а л [2 0] , и было сделано з а к л ю ч е н и е , что п р и л е г и р о в а н и и общее ч и с л о о б о р в а н н ы х с в я з е й у в е л и ч и в а е т с я , но они н а х о д я т с я в основном не в н е й т р а л ь н о м с о с т о я н и и / )0, а в з а р я ж е н н ы х D~ и л и D+.
М о д е л ь , о п и с ы в а ю щ а я п р о ц е с с л е г и р о в а н и я п р и м е с я м и з а м е щ е н и я , была п р е д л о ж е н а Стритом [2'2 1 ]. В с л у ч а е a-Si : Н < Р > а т о м Р м о ж е т быть ч е т ы р е х к о - о р д и н и р о в а н н ы м , а с л е д о в а т е л ь н о , э л е к т р и ч е с к и а к т и в н ы м только п р и одно
временном о б р а з о в а н и и о б о р в а н н о й с в я з и , к о т о р а я н а х о д и т с я в с о с т о я н и и D~.
В с л у ч а е a-Si : Щ В ) > соответственно о б р а з у ю т с я £ )+- ц е н т р ы . Т а к и м образом, п р и у в е л и ч е н и и степени л е г и р о в а н и я ч и с л о з а р я ж е н н ы х о б о р в а н н ы х связей в о з р а с т а е т . Именно этим о б ъ я с н я л о с ь , что в р е м е н а ж и з н и д ы р о к тр и электро
н о в \ м а л ы в a-Si : Н<(Р)> и a-Si : Н<Ъ> соответственно [2 2] : сечение захват1 1)~-центров в е л и к о д л я д ы р о к , а Д+- ц е н т р о в — д л я э л е к т р о н о в . Д л я основных ж е носителей э т и сечения м а л ы . В р а м к а х модели Стрита о б о р в а н н а я с в я з ь — е д и н с т в е н н ы й дефект, д а ю щ и й в к л а д в состояние средней части Ед a-Si : Н , при
чем Z)0-, D~- и Д+- п о л о с ы з а н и м а ю т ф и к с и р о в а н н ы е п о л о ж е н и я в Е . В то ж е в р е м я не и с к л ю ч а е т с я взаимодействие п р и м е с н ы й о с т о в — о б о р в а н н а я с в я з ь : э т и м о б ъ я с н я е т с я , что к о н ц е н т р а ц и я з а р я ж е н н ы х о б о р в а н н ы х с в я з е й пропор
ц и о н а л ь н а к в а д р а т н о м у к о р н ю и з о т н о ш е н и я к о н ц е н т р а ц и й S i H4 и фосфина (или д и б о р а н а ) в р а з р я д н о й к а м е р е п р и В Ч р а з л о ж е н и и . В д а л ь н е й ш е м в [2 3] было с д е л а н о з а к л ю ч е н и е , что п р и введении в с т р у к т у р н у ю с е т к у a-Si : Н атомов п р и м е с и (в частности, бора) н е всегда о б р а з у ю т с я д о п о л н и т е л ь н ы е оборванные с в я з и . Е с л и к о н ц е н т р а ц и я п р и м е с и м е н ь ш е к о н ц е н т р а ц и и «собственных» (для д а н н ы х у с л о в и й о с а ж д е н и я ) о б о р в а н н ы х с в я з е й J9°, D+ будут о б р а з о в ы в а т ь с я и з н и х , т. е. будет п р о и с х о д и т ь п е р е з а р я д к а ц е н т р о в . Д о п о л н и т е л ь н ы е Z)4- ц е н т р ы будут о б р а з о в ы в а т ь с я п р и достаточно с и л ь н о м л е г и р о в а н и и , к о г д а при
веденное в ы ш е у с л о в и е н е в ы п о л н я е т с я .
П о п ы т к и э к с п е р и м е н т а л ь н о г о о п р е д е л е н и я в е л и ч и н ы и з н а к а к о р р е л я ц и о н н о й э н е р г и и этого дефекта (U) б ы л и с д е л а н ы в р я д е р а б о т , и в н а с т о я щ е е время
Р и с . 3 . З а в и с и м о с т ь ф о т о п р о в о - в о д и м о с т и a - S i : Н от э н е р г и и а к т и в а ц и и э л е к т р о п р о в о д н о с т и ( з д е с ь и н а п о с л е д у ю щ и х р и с у н к а х Оф п р и в е д е н а п р и \ —
= 6 2 5 н м , Ф = 1 01 5 с м ^ . с -1) .
10 18
10 17
10 ,16
о о о i \ о
I I I ! I I I L
0.5 АЕ,эв
О J
Р и с . 4 . З а в и с и м о с т ь к о н ц е н т р а ц и и . . . . I . j j j , i д е ф е к т о в , о п р е д е л е н н ы х и з д а н н ы х
— \jg — 17 — 18 п0 п о г л о щ е н и ю ( i V ^ ) , от к о н ц е н т р а -
101 101 10'° Л /с ц и и Э П Р ц е н т р о в (Ns) [2б].
р )
"Рис. 5 . П о л о с ы D+ в « с о б с т в е н н о м » (i) и л е г и р о в а н н о м ф о с ф о р о м и б о р о м a-Si : Н .
Стрелками показаны трансформации полосы D0 п р и
-легировании, а также взаимодействующие пары дефек
тов [ " ] .
3 Физика полупроводников, вып. 9, 1991 С
д л я U п р и в о д я т с я в е л и ч и н ы 0.2-f-0.5 эВ [2 4] , п р и ч е м д л я п о л о ж е н и я ч а с т о в с т р е ч а е т с я в е л и ч и н а 1.2 эВ (расстояние от вс) [24].
Одним и з э ф ф е к т и в н ы х методов и с с л е д о в а н и я состояний дефектов я в л я е т с я метод «дефектного» п о г л о щ е н и я . В е л и ч и н а коэффициента п о г л о щ е н и я а п р и 7ш < 1.4 э В (за вычетом хвоста У р б а х а ) о п р е д е л я е т с я переходами с дефектной
£>°-полосы в зону п р о в о д и м о с т и : это было п о к а з а н о Амером с к о л л е г а м и Г2 5' 2 6 ].
В [2 6] с п е ц и а л ь н о с о з д а в а л и дефекты в н е л е г и р о в а н н ы х о б р а з ц а х a-Si : Н , под
в е р г а я их о б л у ч е н и ю э л е к т р о н а м и . И с с л е д о в а н и я Э П Р п о к а з а л и , что о б р а з у ю т с я £)°-центры. Т а к и м образом, а, и з м е р я е м ы й методом постоянного фототока
(СРМ) и в о з р а с т а ю щ и й с у в е л и ч е н и е м интенсивности о б л у ч е н и я , действительно*
10е
10
101 10
х 1
• 2
0.3 0.5 0.7
ЛЕуэВ
0.9
Р и с . 6 . З а в и с и м о с т ь д е ф е к т н о г о п о г л о щ е н и я ( / г ш = 1 . 2 э В ) от п о л о ж е н и я у р о в н я Ф е р м и . 2 — нелегированные, 2 — легирован
ные фосфором, з — легированные ли
тием образцы a—Si : Н [*7]. Т = 3 0 0 К .
Р и с . 7. З а в и с и м о с т ь с0 от э н е р г и и а к т и в а ц и и э л е к т р о п р о в о д н о с т и .
1 — суммированные данные [х 8] ; 2 — ранее опубликован- ных работ.
о п р е д е л я е т с я п е р е х о д а м и и з 1)°-полосы в з о н у п р о в о д и м о с т и , причем ( ес— е д0) ~
~ 1 . 2 э В (рис. 4 ) . В работе К о ч к и с к о л л е г а м и [2 7] , где проведены п а р а л л е л ь ные и с с л е д о в а н и я н е л е г и р о в а н н ы х и л е г и р о в а н н ы х Р о б р а з ц о в a-Si : Н , было п о д т в е р ж д е н о р а з л и ч и е д л я н и х в и д а g (е). О д н а к о д а л е е [2 8~3 0] было п о к а з а н о , что п о л о с а D~ в a-Si : Н < Т > существенно (на ^ 0 . 3 - — 0 . 4 эВ) сдвинута в сторону в а л е н т н о й зоны по с р а в н е н и ю с D~ в н е л е г и р о в а н н о м м а т е р и а л е (рис. 5). Ч т о к а с а е т с я полосы D+ в a-Si : Н<^В)>, то п р и х о д и т с я предполагать^ что она н а х о д и т с я в ы ш е , чем D0 и £)~: н а б л ю д а е м о е дефектное п о г л о щ е н и е в этом случае- о б у с л о в л е н о п е р е х о д а м и и з в а л е н т н о й зоны на у р о в н и D+ [2 8] . Согласно мо
д е л и К о ч к и [2 8] , этот ф а к т , к а к и ф а к т сдвига полосы D" в a-Si : Н < Т > , о б ъ я с н я е т с я взаимодействием п р и м е с н ы й остов-дефект (рис. 5). Б е а учета этого в з а и м о д е й с т в и я к о р р е л я ц и о н н а я э н е р г и я дефекта U не я в л я е т с я п о л о ж и т е л ь н о й .
П р е д п о л о ж е н и е о в з а и м о д е й с т в и и п р и м е с н ы й остов-дефект не п р и х о д и т с я д е л а т ь в р а м к а х модели, с о г л а с н о к о т о р о й у р о в е н ь дефекта вообще не имеет ф и к с и р о в а н н о й э н е р г и и : она м о ж е т и з м е н я т ь с я в ш и р о к о м и н т е р в а л е (так на
з ы в а е м а я «роо1»-модель [3 1~3 3] ) . П р и этом о б р а з у ю щ и е с я п р и л е г и р о в а н и де
ф е к т ы имеют н а и м е н ь ш у ю э н е р г и ю о б р а з о в а н и я . Т о г д а полоса D+ состояний, с д в и г а е т с я в с т о р о н у зоны проводимости, а п о л о с а D~ — в сторону валентной з о н ы : тем самым н е т р е б у е т с я о б с у ж д а т ь з н а к к о р р е л я ц и о н н о й э н е р г и и дефекта.
М о ж н о с ч и т а т ь , о д н а к о , что « р о с ^ - м о д е л ь имеет более общий х а р а к т е р . Со
г л а с н о Стриту [3 4] , о б р а з ц ы a-Si : Н после н а п ы л е н и я и о т ж и г а п р и х о д я т в не
к о т о р о е «стеклообразное» р а в н о в е с и е за счет м и г р а ц и и в н и х водорода. От
сюда следует, что энергетическое состояние дефектов в a-Si : Н существенно за
в и с и т от у с л о в и й п о л у ч е н и я и т е р м о о б р а б о т к и о б р а з ц о в . В< соответствии с этим*
л [35, з б ] к и н е т и к а о б р а з о в а н и я дефектов с в я з ы в а е т с я с п о л о ж е н и е м р а в н о в е с ного у р о в н я Ф е р м и . Д а л е е в [3 7] сделано з а к л ю ч е н и е , что о б р а з о в а н и е дефектов в a-Si : Н н е зависит от вида донорных примесей: с р а в н и в а ю т с я д а н н ы е , п о л у ченные методом С Р М , д л я a-Si : Н < Р > и a-Si : H < L i > (Li — п р и м е с ь в н е д р е н и я , в в е д е н н а я диффузией п р и 500 К) (рис. 6). Н а общую к р и в у ю л о ж а т с я т о ч к и ж д л я н е л е г и р о в а н н о г о a-Si : Н . А в т о р ы [3 7] н а основании своих экспериментов .делают в ы в о д , что о б р а з о в а н и е дефектов в a-Si : Н о п р е д е л я е т с я собственными
р а в н о в е с н ы м и процессами, п р о и с х о д я щ и м и в п л е н к е после ее о с а ж д е н и я . Н а к о н е ц , в [3 8] непосредственно говорится о применимости «ряоЬьмодели к не
л е г и р о в а н н о м у a-Si : Н : энергетическое п о л о ж е н и е и плотность дефектов о п р е д е л я ю т с я р а в н о в е с н ы м уровнем Ф е р м и . В з а и м о с в я з ь м е ж д у ними имеет тот ж е х а р а к т е р , что и д л я л е г и р о в а н н о г о a-Si : Н . Т а к и м о б р а з о м , очевидна т е н д е н ц и я р а с с м о т р е н и я л е г и р о в а н н о г о и н е л е г и р о в а н н о г о a-Si : Н с одних и тех ж е п о з и ц и й .
В ы ш е , г о в о р я о дефектах в с т р у к т у р н о й сетке a-Si : Н , мы, с л е д у я Стриту [2 1] , и м е л и в в и д у только оборванные с в я з и . Однако возможны и д р у г и е дефекты:
р а н е е п о д ч е р к и в а л о с ь р а з н о о б р а з и е с т р у к т у р н ы х элементов в a-Si : Н . В на
с т о я щ е е в р е м я имеется ц е л ы й р я д вопросов, к а с а ю щ и х с я дефектов и их в л и я н и я н а g (е) a-Si : Н : п р о и с х о ж д е н и е Л - ц е н т р о в , у р о в н и которых н а х о д я т с я в б л и з и е,, [3 9] , и э л е к т р о н н ы х л о в у ш е к п р и ( ес— е ) ^ 0 . 3 5 эВ [4 0 , 4 1] , в л и я н и е н а g (в) т р е х ц е н т р о в ы х S i H S i - с в я з е й (сверхтонкое взаимодействие э л е к т р о н о в на D0 с я д р а м и S i2 9 и Н1 [4 2] , по-видимому, я в л я е т с я д о л г о ж д а н н ы м д о к а з а т е л ь с т в о м и х с у щ е с т в о в а н и я ) , в л и я н и е на g (в) неоднородностей р а с п р е д е л е н и я к р е м н и й - водородных к о м п л е к с о в , идентифицированных Я М Р [4 3] . Согласно модели С и л - в е р а [4 4] , - неоднородности р а з л и ч н о й природы в с т р у к т у р н о й сетке a-Si : Н
(вследствие разбросов у г л о в м е ж д у с в я з я м и , микрополостей, л о к а л и з о в а н н ы х з а р я д о в ) п р и в о д я т к ф л у к т у а ц и я м п о т е н ц и а л а , которые в свою очередь м о г у т обеспечить у с л о в и я одновременного с у щ е с т в о в а н и я оборванных с в я з е й к а к в н е й т р а л ь н о м , т а к и в з а р я ж е н н ы х с о с т о я н и я х , несмотря н а п о л о ж и т е л ь н у ю к о р р е л я ц и о н н у ю энергию дефекта. П р и этом большинство и з н и х н а х о д и т с я именно в з а р я ж е н н ы х с о с т о я н и я х [4 4] . Существенным о к а з ы в а е т с я и в з а и м н о е п р о с т р а н с т в е н н о е р а с п о л о ж е н и е дефектов: т а к , в [4 5] п о к а з а н о , что б л и з к о е р а с п о л о ж е н и е о б о р в а н н ы х с в я з е й и S i — Н - к о м п л е к с о в у с и л и в а е т б е з ы з л у ч а т е л ь - ную р е к о м б и н а ц и ю . В последнее в р е м я у д е л я е т с я внимание модели к о н в е р с и и g (е): п р и у м е н ь ш е н и и п р о т я ж е н н о с т и хвостов плотности с о с т о я н и й у в е л и ч и в а е т с я в е л и ч и н а g (в) в средней части Е . Это происходит вследствие т р а н с ф о р м а ц и й с л а б ы х S i — S i - с в я з е й в оборванные с в я з и [4 6] . Согласно [35* 4 7] , дефекты (оборванные связи) о б р а з у ю т с я в р е з у л ь т а т е р а з р ы в а этих с л а б ы х с в я з е й , р а с п р е д е л е н и е к о т о р ы х не равновесно и зависит от у с л о в и й о с а ж д е н и я п л е н к и . В [4 8] п р е д л а г а е т с я модель о б р а з о в а н и я о б о р в а н н ы х с в я з е й за счет д и ф ф у з и и водорода: р а с п а д S i — Н - к о м п л е к с а , а затем р а з р ы в слабой S i — S i - с в я з и за счет в з а и м о д е й с т в и я атома Н с одним и з атомов к р е м н и я , в х о д я щ и м в этот S i — S i - к о м п л е к с . В р е з у л ь т а т е о б р а з у ю т с я две оборванные с в я з и . Считается [4 8] ^ что н а к л о н хвоста в а л е н т н о й зоны чувствителен к распределению слабых S i — S i - с в я з е й . В то ж е в р е м я , согласно [4 5] , этот н а к л о н с в я з а н с м и к р о с т р у к т у р о й п л е н к и : н а л и ч и е м «столбов» и микрополостей, н а п о в е р х н о с т я х к о т о р ы х р а с п о л а г а ю т с я обычно кремний-водородные к о м п л е к с ы .
Т а к и м образом, проблема дефектов в с т р у к т у р н о й сетке a-Si : Н н а х о д и т с я в центре в н и м а н и я исследователей.
Следует отметить, что п р и р а з л и ч н ы х методах п о л у ч е н и я п л е н о к a-Si : Н с т р у к т у р н ы е сетки м о г у т н е с к о л ь к о о т л и ч а т ь с я и , к а к следствие, можно о ж и д а т ь р а з л и ч и й в их т р а н с ф о р м а ц и я х п р и л е г и р о в а н и и . То ж е самое м о ж н о с к а з а т ь и о р а з л и ч н ы х методах в в е д е н и я одного и того ж е элемента в с т р у к т у р
н у ю с е т к у (например, методами ионной и м п л а н т а ц и и , диффузии и л и и з г а з о в о й ф а з ы ) . И с х о д я и з с к а з а н н о г о в н а с т о я щ е м обзоре д л я определенности р а с с м а т р и в а ю т с я р е з у л ь т а т ы исследований a-Si : Н , приготовленного В Ч р а з л о ж е н и е м
«силаносодержащих г а з о в ы х смесей. Введение примесей в с т р у к т у р н у ю с е т к у о с у щ е с т в л я л о с ь р а з н ы м и методами, перечисленными выше.
3 * 1 5 2 3
2 . П с е в д о л е г и р о в а н и е и с т р у к т у р н а я с е т к а К а к отмечалось в ы ш е , имеет место б о л ь ш о й р а з б р о с д а н н ы х о с в о й с т в а х a-Si : Н . Н а р и с . 7 это п о к а з а н о н а п р и м е р е з а в и с и м о с т и п р е д э к с п о н е н ц и а л ь - ного м н о ж и т е л я а, а0 от АЕ, к о г д а у с л о в и я и з м е н е н и я АЕ не к о н т р о л и р о в а л и с ь [1 8] .
I
1 1 I 1 1 1 L _200 300 Ш
Р и с . 8 . З а в и с и м о с т и АЕ, Ед, Н , % и у о т т е м п е р а т у р ы о с а ж д е н и я п л е н к и Ts [5].
В [5> 6] было п о к а з а н о , что р о с т Т8 п р и в о д и т к с д в и г а м eF в с т о р о н у ес ?, к а к п р и л е г и р о в а н и и фосфором. Д е й с т в и т е л ь н о , к а к видно и з р и с . 8, АЕ падает быстрее, чем Е . Это было у с т а н о в л е н о д л я о б р а з ц о в , п о л у ч е н н ы х п р и В Ч р а з л о ж е н и и смеси 25 % S i H4+ 7 5 % Н е с п о с т о я н н ы м и с к о р о с т я м и осаждения-
п л е н к и v и п р о к а ч к и г а з о в о й смеси г.
г,л/ч
Р и с . 9 . З а в и с и м о с т и э н е р г и й а к т и в а ц и и т е м н о в о й ( 2 ) и ф о т о п р о в о д и м о с т и (2), вф (3), Н , %.
( 4 ) , у (5) о т с к о р о с т и п р о к а ч к и г [6] .
Определение п р и ч и н ы сдвигов sF в с т о р о н у ес, н а з в а н н ы х п с е в д о л е г и р о в а н и е м , я в и л о с ь достаточно с л о ж н о й з а д а ч е й , п о с к о л ь к у п р и в а р ь и р о в а н и и Тг одновременно и з м е н я л о с ь общее с о д е р ж а н и е водорода ( Н , % ) , отношение к о н ц е н т р а ц и й S i H2- и S i H - к о м п л е к с о в у, степень р е л а к с а ц и и S i — S i - с в я з е й (об этом г о в о р я т и з м е н е н и я частоты р а м а н о в с к о г о р а с с е я н и я а>то I6'4 9] ) . Наконец^
в а р ь и р о в а н и я Т8 д о л ж н ы изменять с о д е р ж а н и е оборванных с в я з е й . О д н а к о , с одной с т о р о н ы , из-за у м е н ь ш е н и я Н , % с о д е р ж а н и е их д о л ж н о в о з р а с т а т ь , С д р у г о й с т о р о н ы , с ростом Т8 д о л ж н о происходить «залечивание» дефектов т а к о г о р о д а .
И с с л е д о в а н и е в л и я н и я в а р и а ц и й числа оборванных с в я з е й на сдвиги sF п р о в о д и л о с ь п р и д в у х способах осуществления этих в а р и а ц и й : путем бомбар
д и р о в к и и о н а м и А г+ у ж е готовой п л е н к и и путем изменения с к о р о с т и осажде
н и я . И в том и в д р у г о м с л у ч а я х п о л о ж е н и е sF не и з м е н я л о с ь , х о т я плотность состояний g (sF) существенно у в е л и ч и в а л а с ь [6] . Следует т а к ж е отметить, что д л я н е г и д р и р о в а н н о г о аморфного Si (a-Si) не отмечаются такие сдвиги с рос
том Т8, к а к д л я a-Si : Н . Поэтому п р и ч и н ы и з м е н е н и я sF д л я a-Si : Н и с к а л и в и з м е н е н и я х Si—Н-«подсистемы».
Б ы л и д е н т и ф и ц и р о в а н независимый способ сдвига BF п р и изменении г ( 7 \ = c o n s t , i ; = c o n s t ) ( р и с . 9). В этом с л у ч а е , к а к п о к а з а н о в [4 9] , c o r o ^ c o n s t . Н о , что г о р а з д о существенней, сдвигается в сторону ес п р и росте у (на фоне у м е н ь ш е н и я Н , % ) . Т а к и м образом, изменение у н е л ь з я считать ответственным за сдвиги sF. П о э т о м у было в ы с к а з а н о п р е д п о л о ж е н и е , что в л и я н и е о к а з ы в а ю т т р е х ц е н т р о в ы е S i H S i - с в я з и (ТЦС) [6J. Рассмотрению возможного в л и я н и я с в я зей т а к о г о т и п а н а р а з л и ч н ы е свойства a-Si : Н п о с в я щ а л с я р я д работ [5 0~5 5] . Т е о р е т и ч е с к и было п о к а з а н о , что в отличие от д р у г и х кремний-водородных к о м п л е к с о в они дают в к л а д в g (е) щ е л и п о д в и ж н о с т и . О д н а к о , п о с к о л ь к у Т Ц С оптически н е а к т и в н а и д и а м а г н и т н а , И К с п е к т р о с к о п и я и и с с л е д о в а н и я Э П Р о б н а р у ж и т ь ее не могут. Л и ш ь р е з у л ь т а т ы недавней работы [4 2] , по-видимому, м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь к а к свидетельство с у щ е с т в о в а н и я Т Ц С . Т е м не менее б ы л и сделаны п о п ы т к и р а с с м о т р е н и я в л и я н и я S i H S i - с в я з е й на сдвиги eF.
В [5 6 , 5 7] это было сделано методом м а л ы х к л а с т е р о в , давшим р а н е е х о р о ш и е
р е з у л ь т а т ы : в соответствии с экспериментами было показано увеличение Е и у м е н ь ш е н и е g (е) в Ед п р и г и д р и р о в а н и и [5 8] . Р а с с м а т р и в а л и с ь к л а с т е р
[ S i S i4H1 2] к а к б а з о в ы й , а затем в в о д и л а с ь Т Ц С (кластер [ S i H S i4H1 2] ) . Р е з у л ь таты расчетов о р б и т а л ь н о й энергии к л а с т е р о в п о к а з а л и , что у р о в е н ь во в т о ром с л у ч а е п о д н и м а е т с я , т. е. сдвигается к гс. Т а к и м образом, в р а м к а х рассма
т р и в а е м о й к л а с т е р н о й модели сдвиги в сторону вс п р и росте Т8 и у м е н ь ш е н и и г (рис. 8, 9) о з н а ч а ю т , что в этих с л у ч а я х к о н ц е н т р а ц и я Т Ц С возрастает.
В [б 9] п р е д л а г а е т с я д р у г а я модель, о б ъ я с н я ю щ а я возможное в л и я н и е Т Ц С на сдвиги sF и с х о д я и з о т р и ц а т е л ь н о й к о р р е л я ц и о н н о й энергии этого д е ф е к т а . В р а м к а х этой модели изменение т е м п е р а т у р ы о с а ж д е н и я п л е н к и Т8 не в л и я е т н а в е л и ч и н у к о н ц е н т р а ц и и Т Ц С . Однако если Т Ц С о б р а з у ю т с я п р и достаточно в ы с о к и х т е м п е р а т у р а х , б л и з к и х к т е м п е р а т у р а м их р а с п а д а , этот дефект д о л ж е н н а х о д и т ь с я п р е и м у щ е с т в е н н о в однократно з а н я т о м в о з б у ж д е н н о м с о с т о я н и и . Согласно этой м о д е л и , п е р е х о д ТЦС в в о з б у ж д е н н о е состояние с ростом Ts обус
л о в л и в а е т с д в и г и Si? в сторону вс.
В н а с т о я щ е е в р е м я , о д н а к о , н е л ь з я отдать предпочтение к а к о й - л и б о одной и з п е р е ч и с л е н н ы х выше моделей.
В то ж е в р е м я следует п о д ч е р к н у т ь , что изменение к о н ц е н т р а ц и и о б о р в а н н ы х с в я з е й в о б р а з ц а х , и з у ч е н н ы х в f5, 6] , действительно н е л ь з я с в я з а т ь со сдви
г а м и е^г. Е с л и создание D0 путем ионной и л и э л е к т р о н н о й б о м б а р д и р о в к и у ж е готовой п л е н к и [6' 2 6] происходит в н е р а в н о в е с н ы х у с л о в и я х , то п р и в а р ь и р о в а н и и с к о р о с т и о с а ж д е н и я [б] , к а з а л о с ь бы, обеспечиваются р а в н о в е с н ы е у с л о в и я о б р а з о в а н и я о б о р в а н н ы х с в я з е й . К а к известно, они о б р а з у ю т с я в процессе роста п л е н к и за счет бомбардировки ее ч а с т и ц а м и п л а з м ы . Т е м не менее, н е с м о т р я н а р а з л и ч и е у с л о в и й о б р а з о в а н и я о б о р в а н н ы х с в я з е й , п р и и з м е н е н и и и х к о н ц е н т р а ц и и сдвигов у р о в н я Ф е р м и не происходит: ес— S j e = c o n s t .
Д л я т а к и х образцов было п о к а з а н о , что плотность с о с т о я н и й н а у р о в н е Ф е р м и g (eF) ^ 1 01 7 э В ~1- с м ~3, т. е. достаточна в ы с о к а , и н а б л ю д а е т с я м а к с и м у м g (е) в средней ч а с т и Е [6' 1 7 , 6 0] , х о т я они и н е л е г и р о в а н н ы е . Этот м а к с и м у м о б н а р у ж е н методом у л ь т р а м я г к о й р е н т г е н о в с к о й эмиссионной с п е к т р о с к о п и и . В [6] у с т а н о в л е н а к о р р е л я ц и я м е ж д у энергетическими п о л о ж е н и я м и м а к с и м у м а g (е) и Т8. Р а н е е в [б 1] , была у с т а н о в л е н а к о р р е л я ц и я м е ж д у и н т е н с и в ностью р е н т г е н о в с к о г о эмиссионного с п е к т р а и т е м п е р а т у р о й о т ж и г а о б р а з ц о в : п р и Т < 400 °С она о б ъ я с н я л а с ь изменением с о с т о я н и я Т Ц С с в я з е й .
