Наноструктурированные пленки на основе аморфного гидрогенизированного кремния для оптоэлектроники

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность: 05.27.01 Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника,

приборы на квантовых эффектах

Селюженок Надежда Андреевна

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Афанасьев В.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ханин С.Д.

кандидат технических наук, доцент Барченко В.Т.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Монокристаллический кремний является основным материалом полупроводниковой микроэлектроники. Развитие тонкопленочной кремниевой технологии, в частности, разработка новых методов получения наноструктурированных тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), совместимых с технологией интегральных микросхем, открывает новые перспективы для создания более дешевых приборов и устройств с улучшенными параметрами для оптоэлектроники.

В настоящее время на основе a-Si:H изготавливают солнечные элементы, транзисторные матрицы управления в жидкокристаллических экранах, запоминающие устройства. При этом области применения a-Si:H непрерывно расширяются, что связано с возможностью создания на его основе фотоприемных и излучающих устройств, интегрированных в кремниевую технологию. Большой интерес вызывает явление люминесценции нанокристаллических включений кремния в инородной матрице, в том числе в пленках a-Si:H. Спектр люминесценции нанокристаллитов кремния в видимой или ближней ИК областях зависит от размеров кристаллитов, что является прямым проявлением квантово-размерного эффекта. Кроме того, весьма перспективной представляется возможность использования наноструктурированных материалов в качестве матрицы для сенсибилизации люминесценции различных примесей, в частности эрбия. Появляется возможность управлять эффективностью возбуждения эрбия, изменяя свойства матрицы, в которую он помещен, например, меняя ширину запрещенной зоны и плотность дефектов в ней, что достижимо при использовании структур с нановключениями. Вместе с тем, технологические способы формирования наноструктурированных пленок с возможностью контроля размеров и пространственного распределения нанокристаллических включений в полной мере не отработаны.

Известно, что более широкому использованию пленок a-Si:H препятствует их недостаточная временная стабильность при воздействии облучения. Одно из возможных решений этой задачи связано с применением новых подходов к технологии пленок a-Si:H суть которых в формировании нанопериодических слоистых структур с нанокристаллическими включениями. Установление взаимосвязи между условиями получения пленок a-Si:H, их структурными особенностями и электрофизическими свойствами имеет большой научный и практический интерес.

Таким образом, получение и исследование наноструктурированных тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллическими включениями, обладающих высокой фоточувствительностью, стабильностью, излучательной способностью, является актуальной проблемой, решение которой позволит создать новые более эффективные оптоэлектронные приборы.

Цель работы. Получение и исследование наноструктурированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния, обладающих высокой фоточувствительностью, стабильностью, а также излучательной способностью в видимом и ИК диапазонах спектра.

Задачи диссертационной работы. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- разработка технологии получения пленок аморфного гидрогенизированного кремния с заданным периодом слоистой наноструктуры, обеспечивающей возможность управления объемной долей и размером нанокристаллических включений;

- изучение электрофизических свойств наноструктурированных пленок a-Si:H (темновой проводимости, фотопроводимости и фотолюминесценции) и сравнение их с аналогичными свойствами стандартного аморфного гидрогенизированного кремния;

- исследование возможностей создания фотоприемных структур на основе полученных наноструктурированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Научная новизна работы:

1. Показано, что формирование наноструктурированных слоистых пленок a-Si:H методом циклического осаждения с периодом слоев менее 10 нм возможно при исключении переходных процессов, связанных с необходимостью замены газовой смеси и обеспечении независимости этапов осаждения и промежуточного отжига.

2. Проведен анализ процессов образования и роста нанокристаллитов в пленках a-Si:H на стадии циклического осаждения и последующей термообработки в вакууме. Показано, что образцы с необходимой объемной долей и размером кристаллитов от 2 нм и более могут быть получены путем выбора режима термообработки слоистых пленок.

3. В полученных наноструктурированных пленках аморфного гидрогенизированного кремния обнаружена фотолюминесценция в видимой и ближней ИК областях спектра.

4. Проведен анализ механизмов переноса носителей заряда в наноструктурированных пленках a-Si:H. Показано, что уменьшение темновой проводимости, характерное для слоистых пленок a-Si:H, связано с большей концентрацией водорода в слоях, сформированных при обработке в водородной плазме.

Практическая ценность работы:

1. Разработана конструкция и создана установка для формирования наноструктурированных пленок a-Si:H методом циклического осаждения, обеспечивающая проведение процессов осаждения и отжига в двух квазизамкнутых объемах и позволяющая получать пленки с периодом слоев от 2 нм и более.

2. Продемонстрирован способ формирования пленок a-Si:H с возможностью контроля размера нанокристаллических включений кремния от 2 нм и выше, что представляет интерес для создания источников излучения в видимой и ближней ИК областях спектра, а также для дальнейших научных исследований наноразмерных объектов на основе кремния и построения модельных представлений об их поведении.

3. Сформированы и исследованы фотоприемные устройства на основе наноструктурированных пленок a-Si:H, обладающие повышенной фоточувствительностью и большей стойкостью к воздействию внешних факторов. Показаны возможности улучшения стабильности свойств аморфного гидрогенизированного кремния при использовании метода циклического осаждения в сочетании с дополнительной термообработкой в вакууме.

4. Рассмотрена возможность использования люминесцентных свойств пленок a-Si:H с нанокристаллическими включениями и наноструктурированных пленок, легированных эрбием, в качестве материала для полупроводниковых излучателей.

5. Результаты диссертационной работы были использованы при подготовке отчетов по следующим НИР, выполнявшимся на кафедре микроэлектроники:

- Т02 - 02.2 - 1424 «Нанокристаллический гидрогенизированный кремний для фоточувствительных и люминесцентных структур», 2003-2004 гг;

- Грант Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности «Синтез наноструктурированных тонкопленочных систем с новыми фундаментальными свойствами», 2004 г;

- ВНП «Развитие научного потенциала высшей школы» Рособразования: код проекта №75112 «Развитие технологии и диагностики нанокомпозитов и наноструктур с целью создания телекоммуникационных информационных и сенсорных устройств нового поколения», 2005 г;

- ВНП «Развитие научного потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию РФ: код проекта РНП.2.1.2.1716, «Исследование квантово-размерных эффектов в широкозонных полупроводниковых материалах и наноструктурах», 2006-2007 гг;

Научные положения, выносимые на защиту

1. Формирование нанокристаллитов размером 2 нм и более в пленках наноструктурированного аморфного гидрогенизированного кремния достигается за счет уменьшения периода слоистой структуры при использовании двух квазизамкнутых объемов в циклическом методе осаждения и последующей термообработки в вакууме.

2. Повышение эффективности эрбиевой фотолюминесценции в пленках a-Si:H, содержащих нанокристаллиты, по сравнению со стандартным аморфным гидрогенизированным кремнием, легированным эрбием достигается за счет подавления эффектов девозбуждения ионов эрбия и уменьшения безызлучательной рекомбинации в нанокристаллитах

3. Высокая фоточувствительность пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных методом циклического осаждения, связана с уменьшением темновой проводимости за счет формирования высокоомных областей, а также с уменьшением плотности состояний в щели подвижности.

Аппробация результатов работы:

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

IV-ой и V-ой Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 5-7 июля 2004г), Санкт-Петербург, 19-21 июня 2006г);

Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям. (Санкт-Петербург, 15-17 апреля 2003 года);

Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 04» (Зеленоград, 21-23 апреля, 2004г.);

Международной научно-технической конференции «Молодые ученые 2005» (Москва, МИРЭА-2005);

Юбилейной 60-ой научно технической конференции, посвященной Дню радио (Санкт-Петербург, апрель 2005 г.);

4, 6, 8 и 9 научных молодежных школах по твердотельной электронике: «Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа.» (Санкт-Петербург, 20-22 ноября 2001 г.), «Микро и нанотехнология» (Санкт-Петербург, 17-18 мая 2003 г.), Актуальные аспекты нанотехнологии» (Санкт-Петербург, 27-29 мая 2005 г.), «Нанотехнология и нанодиагностика» (Санкт-Петербург, 27-28 мая 2006 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2001-2007 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 2 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах, определенных ВАК, 7 работ - в материалах и трудах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 77 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

наноструктурированный аморфный гидрогенизированный кремний

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Представлены основные структурные, оптические и электрофизические свойства аморфного гидрогенизированного кремния. Рассмотрены способы получения пленок a-Si:H. Установлено, что, ряд параметров, таких как фоточувствительность и стабильность, могут быть улучшены при использовании новых материалов на основе a-Si:H с применением наноразмерных эффектов и явлений, которые реализуются в пленках с нанопериодической слоистой структурой и нанокристаллиталическими включениями. Проведен обзор использующихся в настоящее время способов синтеза пленок a-Si:H с нанокристаллитами. Показано, что практически отсутствуют надежные технологические методы получения наноструктурированных материалов, обеспечивающие воспроизводимость свойств пленок и возможность контроля за размером и объемной плотностью нанокристаллической фазы.

Проведен анализ литературных данных о люминесценции пленок, содержащих нанокристаллические включения. Показаны возможности получения люминесцентных материалов на основе кремния при введении легирующих примесей, а именно, эрбия. Отмечается, что одним из сдерживающих факторов создания оптоэлектронных приборов на основе монокристаллического кремния, легированного эрбием, является сильное температурное гашение люминесценции. Эту проблему можно решить, используя аморфный гидрогенизированный кремний, интенсивность эрбиевой люминесценции в котором практически не зависит от температуры. Однако, увеличение концентрации дефектов (оборванных связей) в стандартном аморфном кремнии при его легировании эрбием затрудняет создание излучательных структур на его основе.

Рассмотрены основные типы фотоприемников на основе пленок a-Si:H. Преимуществом таких тонкопленочных структур является их сравнительно невысокая стоимость. Тем не менее, необходимо решить ряд проблем, связанных с надежностью фотоприемных устройств на основе а-Si:H.

Таким образом, в литературном обзоре показана необходимость развития технологии получения новых материалов для фотоприемных и излучающих приборов на базе аморфного гидрогенизированного кремния, интегрированной в стандартную технологию создания микросхем и обеспечивающей формирование пленок аморфного гидрогенизированного кремния с заданным периодом слоистой наноструктуры и объемной долей и размером нанокристаллических включений.

На основании анализа литературных данных формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена получению наноструктурированных пленок а-Si:H с нанокристаллическими включениями. В основу технологии положен метод циклического плазмохимического осаждения, разработанный в СПбГЭТУ на основе однокамерного технологического комплекса «КОНТ», в котором реализовывалось последовательное чередование цикла осаждения тонкого слоя аморфного гидрогенизированного кремния и цикла отжига его в водородной плазме. Установка была дополнена реле времени, с помощью которого в камере обеспечивалась периодическая смена газовой среды с (SiH₄+Ar) на водород. Промежуточные отжиги в водороде приводили к формированию слоистой структуры материала за счет диффузии водорода в процессе обработки в водородной плазме в приповерхностные области пленки a-Si:H, осажденной за цикл, и, как следствие, неоднородному распределению водорода по толщине пленки. Четко выраженная нанослоистая структура образцов, полученных в циклическом режиме, была обнаружена в результате проведенных структурных исследований (рис.1) при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Такие пленки справедливо называть наноструктурированными или нанослоистыми, так как осаждаемый за один цикл слой и обогащенная водородам приповерхностная область имеют размеры порядка нескольких нанометров. В ходе проведенных предварительных исследований было установлено, что пленки a-Si:H, сформированные циклическим методом, содержат нанокристаллические включения. Образование кристаллитов происходит в процессе отжига в водородной плазме за счет осаждения частиц кремния из сильно разбавленного водородом остаточного моносилана. Малая объемная доля нанокристаллической фазы (порядка 1 %), не позволяет говорить о существенном влиянии нанокристаллитов на электрофизические свойства, такие как фоточувствительность и люминесценция. Для обеспечения возможности управления размером и плотностью кристаллитов, что особенно важно при получении люминесцентных пленок, был предложен новый метод формирования нанокристаллитов в нанослоистых пленках a-Si:H, схема которого представлена на рисунке 2. На первом этапе методом циклического осаждения синтезируются пленки a-Si:H со слоистой структурой заданного периода L. На втором этапе путем термообработки в вакууме формируются нанокристаллиты, размеры которых не превышают периода L наноструктурированной пленки.

К сожалению, в однокамерной установке не удавалось получать пленки, обладающие характерной слоистой структурой с периодом L менее 10 нм. Детальный анализ механизмов формирования пленок a-Si:H при циклическом осаждении выявил сильное влияние переходных процессов на этапе изменения газовой среды. Время, необходимое для смены газовой смеси, составляло десятки секунд, что соизмеримо с временами осаждения и промежуточного отжига при циклическом осаждении. С уменьшением толщины слоя, осаждаемого за один цикл, по мере роста суммарного времени переходных процессов, возрастает вклад эффузии водорода, приводящей к размытию слоистой структуры.

Рис. 2. Схема формирования нанокристаллитов кремния размером, не превышающим периода слоистой структуры L, в пленках a-Si:H толщиной d

Таким образом, для формирования пленок с периодом слоистой структуры менее 10 нм необходимо обеспечить независимость процессов осаждения и промежуточного отжига при циклическом осаждении и минимизировать времена переходных процессов.

Для решения этой задачи разработан альтернативный метод циклического плазмохимического осаждения, который был реализован на основе однокамерной установки ВУП-4. В вакуумной камере были установлены два стакана, обеспечивающие создание квазизамкнутых объемов, в которых поддерживается постоянное горение силановой и водородной плазмы. Фотография и схематическое изображение вакуумной камеры модифицированной установки представлены на рисунке 3. Подвод рабочих газов (SiH₄+Ar и H₂) в квазизамкнутые объемы осуществлялся с помощью газораспределительных систем, соединяющихся через запорные клапаны с газовыми магистралями, содержащими фильтры и стабилизаторы давления. Конструкция установки позволяла задавать различные мощности разряда и давления для водородной и силановой плазмы. Перемещение из зоны осаждения в зону отжига обеспечивается вращением подложкодержателя. Толщина слоя, осаждаемого за цикл, варьируется путем выбора скорости вращения подложкодержателя, т.е. непосредственным временем нахождения в зоне осаждения. Максимальная скорость вращения обеспечивала возможность задавать времена осаждения и отжига за цикл от 10 с. Эти времена в 6 раз меньше чем в однокамерной установке. Основные параметры условий формирования пленок a-Si:H в однокамерной и двухкамерной установках представлены в таблице 1.

Рис.3. Фотография (а) и схематическое изображение вакуумной камеры (б) модернизированной с использованием двух квазизамкнутых объемов установки для получения слоистых пленок a-Si:H.

Таблица 1. Параметры условий формирования наноструктурированных пленок a-Si:H

Использование двух квазизамкнутых объемов позволило минимизировать вклад переходных процессов, связанных со сменой газовой смеси. В результате удалось получить пленки с периодом слоистой структурой от 2 нм и более. Такое решение обеспечило также формирование в пленках a-Si:H нанокристаллитов с размером от 2-3 нм путем последующего модифицирования структуры пленок термообработкой в вакууме. Таким образом, благодаря предложенному в работе методу циклического осаждения в двух квазизамкнутых объемах, в сочетании с последующей термообработкой в вакууме, появилась возможность контролировать процесс получения нанокристаллитов и варьировать их размер в широких пределах.

Исследование структурных изменений пленок, полученных в циклическом режиме, после термообработки в вакууме проводилось при помощи ПЭМ. Установлено, что в образцах, имеющих изначально неоднородную слоистую структуру, в отличие от пленок стандартного аморфного кремния, рост кристаллитов в процессе отжига происходит менее интенсивно. После отжига слоистых пленок a-Si:H размер кристаллитов в них не превышал периода слоистой структуры L, т.е толщины слоя, осаждаемого за один цикл. В то же время, в образцах стандартного аморфного гидрогенизированного кремния термообработка при тех же условиях приводила к формированию поликристаллической структуры пленок с размером кристаллитов порядка 1 мкм. В работе выполнен оценочный расчет перераспределения концентрации водорода по толщине пленки в результате отжига. Согласно расчетам, для заметного размытия нанослоистой структуры образцов, в процессе термообработки при температуре 450 єС, необходим достаточно длительный (более 30 минут) отжиг.

Из совокупности полученных результатов следует, что интерфейсы с повышенной концентрацией водорода выступают в качестве буферных слоев, сдерживающих рост кристаллитов в процессе термообработки.

Третья глава посвящена изучению люминесцентных свойств полученных пленок a-Si:H, содержащих нанокристаллические включения. Исследование проводилось на образцах, осажденных на кремниевые подложки, при возбуждении их Ar⁺лазером. Спектры люминесценции регистрировали в диапазоне 0,5-1,8 мкм. На рисунке 4 приведены спектры люминесценции, характеризующиеся наличием двух максимумов. Максимум на длине волны 630 нм обусловлен примесью кислорода в образцах. Пик люминесценции на этой длине волны наблюдался для всех исследуемых образцов, в том числе и для пленок стандартного аморфного гидрогенизированного кремния (пунктирная кривая на рис.4). Наиболее интересным представляется максимум на длине волны 780 нм, который наблюдался только для пленок, содержащих кристаллические включения. Было выдвинуто предположение, что люминесценция в данном случае связана с излучательной рекомбинацией носителей в нанокристаллитах. Известно, что положение пика люминесценции в нанокристаллических материалах зависит от размера кристаллитов, что связано с изменением ширины зоны за счет квантово размерных ограничений. В результате анализа имеющихся в литературе данных было установлено, что нанокристаллиты с размером порядка 4-5 нм излучают на длине волны 0,77-0,78 мкм, что хорошо согласуется с полученным в работе результатом. Возможность технологического управления размером кристаллитов открывает перспективу создания полностью интегрированных в кремниевую технологию оптоэлектронных приборов, излучающих на заданной длине волны.

Наблюдаемое для исследуемых образцов сильное температурное гашение фотолюминесценции создало необходимость поиска новых возможностей получения более стабильного люминесцентного материала. С этой целью в наноструктурированные образцы аморфного гидрогенизированного кремния был введен эрбий. В результате исследования было установлено, что пленки, содержащие нанокристаллиты и легированные эрбием, характеризуются большей эффективностью эрбиевой люминесценции по сравнению со стандартным a-Si:H, легированным эрбием.

Рис.4. Спектры фотолюминесценции для: 1 - стандартной пленки a-Si:H; 2 - пленки, содержащей нанокристаллиты размером порядка 4 нм.

Известно, что интенсивность излучения на длине волны 1,54, соответствующая переходу эрбия из первого возбужденного в основное состояние, во многом определяется подавлением безызлучательного канала рекомбинации носителей. В аморфном гидрогенизированном кремнии вероятность безызлучательной рекомбинации возбужденных носителей выше, чем в монокристаллическом кремнии, что связано с природой аморфного состояния. В исследуемых в работе образцах поглощение света осуществлялось как в матрице аморфного кремния, так и в нанокристаллитах. В случае передачи возбуждения на ионы эрбия от нанокристаллитов эффект девозбуждения уменьшается вследствии увеличения ширины запрещенной зоны в нанокристаллитах. Можно также полагать, что повышенная эффективность люминесценции в случае наноструктурированных пленок a-Si:H обусловлена подавлением части безызлучательных переходов носителей, что связано с большей упорядоченностью нанокристаллитов по сравнению с аморфным кремнием. Проведенное в работе исследование говорит о перспективности применения наноструктурированных пленок a-Si:H для изготовления на их основе излучающих устройств, интегрированных в кремниевую технологию.

Четвертая глава посвящена исследованию электрофизических свойств наноструктурированных пленок a-Si:H.

Полученные образцы обладали повышенным значением фоточувствительности. Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод о том, что промежуточные отжиги в водороде тонких слоев a-Si:H приводят к формированию пленок с наиболее совершенной структурой. Оптимальными с этой точки зрения являются пленки с периодом слоистой структуры 14-16 нм, где наблюдается максимальная концентрация водорода. Также было установлено, что повышенная фоточувствительность (у_ph/у_d) cвязана с меньшим значением темновой проводимости у_d.

С целью более детального рассмотрения механизмов переноса было проведено исследование температурных зависимостей проводимости слоистых пленок a-Si:H как непосредственно после осаждения, так и подвергнутых последующей термообработке. Результаты измерений показаны на рисунке 5, а рассчитанные параметры для соответствующих образцов a-Si:H представлены в таблице 2.

Рис.5. Температурные зависимости темновой проводимости для пленки a-Si:H, полученной циклическим методом с L =16 нм в исходном состоянии (1) и после отжига при 350С (2), 450С (3), 500 С (4) и 550 С (5).

Таблица 2. Характеристики пленок.

Для неотожженного нанослоистого образца характерны повышенные, по сравнению со стандартным a-Si:H, значения энергии активации темновой проводимости. Промежуточные отжиги в водородной плазме в процессе циклического осаждения приводят к обогащению пленок водородом, что сопровождается пассивацией оборванных связей. Таким образом, плотность локализованных состояний в щели подвижности снижается и, следовательно, снижается темновая проводимость.

Рост темновой проводимости связан с уходом водорода в процессе термообработки и возрастанием плотности состояний. Отжиг при 350 °С приводит к незначительному (до 0,81 эВ) уменьшению энергии активации E_a темновой проводимости по сравнению с E_a неотожженных образцов, полученных методом циклического осаждения. После термообработки при температуре равной и более 500 °С пленки утрачивают фоточувствительность. Заметное возрастание темновой проводимости в этом случае связано с практически полной дегидрогенизацией пленки, что сопровождается увеличением плотности локализованных состояний и, следовательно, увеличением темновой проводимости.

Проведенный в работе расчет изменения концентрации водорода после отжига при различных температурах позволил сделать следующее предположение: термообработка при температуре 500 °С способствует разрыву сильных SiH связей и сопровождается заметным снижением концентрации водорода, в то время как отжиг при меньших температурах приводит, главным образом, к уходу слабосвязанного водорода.

Одной из наиболее важных характеристик материала для фотоприемных устройств является временная стабильность параметров. В образцах, полученных с использованием промежуточного отжига, наблюдалась большая стойкость к воздействию облучения. На рисунке 6 представлена кинетика изменения относительной фотопроводимости для трех образцов аморфного гидрогенизированного кремния. Спад фотопроводимости обусловлен ростом концентрации рекомбинационных ловушек, связанным с разрывом слабых Si-Si связей. В нанослоистых пленках a-Si:H, ввиду повышенной концентрации водорода, меньшая доля слабых связей, что обуславливает большую стабильность материала.

Термообработка при температуре 350єС приводит к уходу слабосвязанного водорода и, кроме того, сопровождается отжигом дефектов, что приводит к еще большей стойкости материала к воздействию засветки. Выбирая оптимальные по качеству пленки a-Si:H для фотоприемников следует остановиться на образцах полученных в циклическом режиме и затем подвергнутых термообработке при 350 С, так как в этом случае помимо повышенной стабильности сохраняются достаточно высокие значения фоточувствительности.

Рис. 6. Кинетика изменения фотопроводимости, приведенной к начальной величине, при освещенности 100 мВт/см² для стандартной пленки a-Si:H (1) и слоистой пленки a-Si:H после осаждения (2) и после ее отжига при 350 єС (3).

На основе слоистых пленок a-Si:H, толщиной порядка 0,5 мкм, изготавливались планарные фоторезисторы и фотодиоды с барьером Шоттки. Фотодиодные структуры с слоистыми пленками a-Si:H, полученными циклическим методом, обладали более высокой фоточувствительностью по сравнению со структурами на основе стандартных пленок a-Si:H, близкой к чувствительности, достигаемой на монокристаллическом кремнии. Зависимости фототока от интенсивности падающего излучения в области малых интенсивностей для фоторезисторных и фотодиодных структур представлены на рис.7.

Для фоторезисторных структур зависимость не линейна и описывается классическим степенным законом:

I_ф= A F

с показателем степени 0,87 0,02.

Для диодных структур эта зависимость линейна как в режиме короткого замыкания, так и в случае приложения обратного напряжения. При обратном смещении 0,5 В плотность темнового тока для исследованных образцов составляла 15 нА/см². При этом же значении напряжения величина фототока возрастала в 1,45 раз по сравнению с фототоком короткого замыкания. Такой результат обусловлен увеличением области пространственного заряда и, одновременно, уменьшением последовательного сопротивления между ОПЗ и нижним электродом.

Рис.7. Зависимости фототока фоторезистора (1), диода с барьером Шоттки на ситалловой подложке в режиме короткого замыкания (2) и при обратном смещении 0,5 В (3) от интенсивности излучения с длинной волны 580 нм.

Повышенные значения фоточувствительности и стабильности параметров полученных пленок говорят о хорошем качестве полученных образцов, а также о перспективности использования их для изготовления фотоприемников.

В заключении подведены итоги проделанной работы и приведены основные результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан модифицированный метод циклического осаждения, обеспечивающий возможность получения наноструктурированных пленок с периодом слоистой структуры от 2 нм и более.

2. Отработана технология управляемого получения наноструктурированных пленок a-Si:H определенного периода слоистой структуры в диапазоне 2 - 30 нм.

3. Показано, что объемная доля и размер нанокристаллитов зависит от периода слоистой структуры и режима последующей термообработки в вакууме, так как рост нанокристаллических включений в слоистых пленках a-Si:H сдерживается интерфейсами с повышенным содержанием водорода.

4. Установлено, что наноструктурированные пленки на основе a-Si:H проявляют фотолюминесцентные свойства в видимой и ближней ИК областях спектра. Положение пика фотолюминесценции зависит от размера нанокристаллитов, а его сдвиг в диапазоне 0,7-0,8 мкм может быть обеспечен путем изменения периода слоистой структуры при формировании пленок циклическим методом.

5. Эффективность эрбиевой люминесценции в пленках a-Si:H, содержащих нанокристаллические включения, по сравнению со стандартным a-Si:H, возрастает за счет подавления эффекта девозбуждения ионов эрбия, находящихся вблизи нанокристаллов, а также большего структурного совершенства, приводящего к уменьшению безызлучательной рекомбинации носителей.

6. Исследованы электрофизические свойства полученных пленок a-Si:H. Показано, что повышенные значения фоточувствительности достигаются за счет уменьшения темновой проводимости.

7. Выбор оптимального режима термообработки в вакууме позволяет повысить временную стабильность параметров структуры, и, следовательно, качество фотоприемных устройств на основе наноструктурированных пленок a-Si:H.

8. Показана возможность изготовления на основе нанослоистых пленок a-Si:H фотоприемников с высокой фоточувствительностью и излучателей при температурных режимах, обеспечивающих совместимость с кремниевой технологией.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Фотоприемные структуры на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллическими включениями/ Афанасьев В.П., Гудовских А.С., Сазанов А.П., Селюженок Н.А., Теруков Е.И.// Оптический журнал, 2001. - Т. 68, Вып.12. - С. 101-104.

Формироване наноструктурированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния для оптоэлектроники/ Афанасьев В.П., Селюженок Н.А.// Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, Сер. Физика твердого тела и электроника.- 2006.- Вып. 2.- С. 20-25.

Наноструктурное модифицирование слоистых пленок аморфного гидрогенизированного кремния путем термообработки/ Афанасьев В.П., Гудовских А.С., Казак-Казакевич А.З., Селюженок Н.А.// Температуроустойчивые функциональные покрытия: Сб. трудов ХIХ всероссийского совещания, Санкт-Петербург, 15-17 апреля 2003. - Т.1. С. 19-26.

Влияние структурных особенностей тонких пленок a-Si:H, полученных в циклическом режиме на их фотоэлектрические и люминесцентные свойства/ Селюженок Н.А.// Молодые ученые 2005: Материалы международной научно-технической конференции- Москва. -М.: МИРЭА, 2005.- С. 119-123.

Исследование тонких гетерофазных пленок на основе a-Si:H для оптоэлектронных применений/ Афанасьев В.П., Селюженок Н.А., Кожанова Ю.В., Теруков Е.И. //Аморфные и микрокристаллические полупроводники: Сб. трудов IV международной конференции, Санкт-Петербург, 5-7 июля 2004.- C. 41-42.

Метод получения наноструктурированных слоистых пленок a-Si:H для оптоэлектронных применений// Афанасьев В.П., Коньков О.И., Селюженок Н.А., Теруков Е.И. / Аморфные и микрокристаллические полупроводники: Сб. трудов V международной конференции, Санкт-Петербург, 19-21 июля 2006.-С. 47-49

Исследование слоистых пленок a-Si:H, полученных методом циклического осаждения и отжига в плазме квазизамкнутых объемов/ Афанасьев В.П., Коньков О.И., Селюженок Н.А., Теруков Е.И.// Аморфные и микрокристаллические полупроводники: Сб. трудов V международной конференции, Санкт-Петербург, 19-21 июля 2006.-С. 45-47

Исследование механизмов токопереноса в слоистых пленках a-Si:H/ Афанасьев В.П., Селюженок Н.А.// Юбилейная 60-я научно техническая конференция посвященная Дню радио: Сб. матер. конференции, Санкт-Петербург, апрель 2005.-С.-169

Исследование фотолюминесцентных свойств тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния/ Н.А.Селюженок // Юбилейная 60-я научно техническая конференция посвященная Дню радио: Сб. матер. конференции, Санкт-Петербург, апрель 2005.-С.-167.

Размещено на Allbest.ru