02 (Электронные лекции в формате DOC), страница 2

Вы знаете, что в подавляющем большинстве полупроводниковых приборов для обеспечения омических (невыпрямляющих) контактов с металлом необходимо, чтобы прилегающий к металлу слой полупроводника обладал возможно меньшим сопротивлением (сильно легированные р⁺ и n⁺ слои).

С другой стороны, рассматривая легирование a-Si:H, мы с вами отмечали, что при введении как фосфора, так и бора не удается получить материал с электропроводностью более чем σ = 10^-2 Ом^-1· см^-1. Причина заключается в высокой плотности собственных локализованных состояний в хвостах зон a-Si:H (энергия активации электропроводности –не менее 0.2 эВ).

Решить эту проблему удалось японским ученым, которые показали, что тем же методом разложения силана в плазме тлеющего разряда, путем простого изменения условий получения, можно изготовить микрокристаллический гидрогенизированный кремний (μк-Si:H), электропроводность которого на 3 – 4 порядка выше электропроводности a-Si:H.

Микрокристаллический гидрогенизированный кремний

μк-Si:H

Получение пленок кремния разложением силана в плазме тлеющего разряда в общем случае может быть описано следующей реакцией:

SiH₄ ^→_← SiH_x + (4 – х)H ^→_← Si_{ТВ. Т} + x·H_{ТВ. Т} + (4 – x)H_плазма

Реакция, протекающая в прямом направлении (слева направо), ведет к образованию в газовой фазе фрагментов Si-H_x и атомов водорода. Затем атомы кремния, фрагменты Si-H_x и, частично, водород встраиваются в растущую пленку, а оставшийся водород выделяется в окружающую плазму.

Реакция, протекающая в обратном направлении (справа налево), ведет к эрозии пленки (растворению (травлению) пленки в плазме).

При получении аморфного гидрогенизированного кремния прямая реакция является преобладающей, то есть система находится далеко от химического равновесия.

Если же создать условия близкие к химическому равновесию, то скорость роста пленки будет мала. При этом, при достаточной подвижности конденсирующихся на подложку атомов кремния, будет возможно образование кристаллических зародышей.

Как создать такие условия?

Для создания условий, близких к химическому равновесию в тех же установках, в которых получают а – Si:H, используют:

• сильное разбавление силана водородом (2 – 3 % силана в водороде);

• увеличение уровня ВЧ-мощности для создания тлеющего разряда (то есть увеличение плотности плазмы) в 5 – 10 раз.

В результате, несмотря на увеличение ВЧ-мощности, из-за малой концентрации силана скорость роста пленки уменьшается примерно в 10 раз. (Это свидетельствует о сдвиге реакции к химическому равновесию). С другой стороны, поскольку сильно легированные слои в приборах могут быть достаточно тонкими, то малые скорости их роста не создают технологических проблем.

Полученные при таких условиях пленки кремния при дифракционных исследованиях дают картинки, свидетельствующие, что материал является аморфно-кристаллическим. При этом содержание кристаллической фазы, в зависимости от условий получения, составляет 65 – 97 % от общего объёма.

С ама кристаллическая фаза состоит из микрокристаллитов размерами 50 – 80 Ả. С_ам, % a-Si:H μк- Si:H

100 0

50 50

0 200 300 400 100 С_крист, %

U_{тл. разряда} ,В (пропорц-но ВЧ-мощности)

Зависимость электропроводности μк-Si:H от уровня легирования (концентрации фосфина и диборана) выглядит следующим образом: (раздаточный материал, рис.2-7)

Кривые 1 и 2 относятся к a-Si:H (данные разных авторов). Мы рассматривали их в прошлом семестре.

Кривые 3, 4 и 5 относятся к μк-Si:H.

Как видно из рисунка, нелегированный μк-Si:H имеет электропроводность порядка 10^-2 Ом^-1см^-1. Это на 6 порядков величины выше электропроводности нелегированного a-Si:H.

При легировании фосфином удалось достичь электропроводности μк-Si:H равной 20 Ом^-1см^-1. (Это на два порядка выше максимального значения для a-Si:H). Для образцов р-типа (легированных дибораном) максимальное значение электропроводности составляет 8 Ом^-1см^-1.

Таким образом удалось решить задачу получения низкоомных слоев для обеспечения омических контактов к приборам на основе аморфного гидрогенизированного кремния.

--------------------------------------

Для многих классов полупроводниковых приборов (в частности, для приборов, использующих оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников) успех создания высокоэффективных устройств определяется возможностью совмещения в одном приборе полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны. В кристаллических полупроводниках эта проблема была решена на основе твердых растворов соединений типа A^III – B^V, A^II – B^VI (в частности, работы Ж. Алферова). В халькогенидных стеклообразных полупроводниках изменение ширины запрещенной зоны легко достигнуть изменением химического состава материала. В случае гидрогенизированного аморфного кремния эту проблему решают путем создания твердых растворов кремния с другими элементами IV группы Периодической системы.

Получение твердых растворов A^IV - B^IV на основе гидрогенизированного аморфного кремния

Кремний образует достаточно протяженные ряды твердых растворов с другими элементами IV группы Периодической системы: германием (Ge), углеродом (С), азотом (N). Эти элементы (Ge) или их соединения с кремнием (карбид кремния SiC, нитрид кремния Si₃N₄) обладают, по сравнению с кремнием, либо меньшей (Ge), либо большей (SiC, Si₃N₄) шириной запрещенной зоны.

Следовательно, добавляя в силан (SiH₄) газообразные соединения с водородом германия (Ge), углерода (С) или азота (N) в различных соотношениях, мы можем получать двухкомпонентные пленки с различной шириной запрещенной зоны:

* - в зависимости от «х».

Рассмотрим коротко получение узкозонного (a-Si_1-xGe_x:H) и широкозонного (a-Si_1-xC_x:H) материалов.

Пленки a-Si_1-xGe_x:H с величиной «Х» от 0 до 1 получают разложением в плазме тлеющего разряда газовой C_H·10²¹, см^-1

с меси SiH₄ + GeH₄ + H₂. 6

И сследования ИК-спектров показали, что в пленках (Si+Ge)-H

п рисутствуют как связи Si – H, так и связи Ge – H. 4

Однако удельная концентрация водородосодержащих Si-H

с вязей у атомов кремния примерно в три раза больше, 2 Ge-H

ч ем у атомов германия:

[Si - H] / [Si] = 0.11, [Ge – H] / [Ge] = 0.04. 0 0.5 1

X

Т аким образом, водород более эффективно пассивирует оборванные связи атомов кремния, по сравнению с атомами германия. Однако удельное число оборванных связей на атомах германия (концентрация неспаренных спинов на атомах германия [Ge↑] / [Ge]) уменьшается быстрее, чем растет число связей германий – водород [Ge – H] / [Ge]. Это свидетельствует о том, что атомы водорода не только пассивируют оборванные связи, но и уменьшают их общее количество. Вероятно, это происходит за счёт релаксации структуры материала. То есть в пленке, в присутствии водорода образуется меньше атомов с оборванными связями. ΔЕ, эВ

З ависимость ширины запрещенной зоны 1.8

от соотношения компонентов в материалах

с истемы a-Si_1-xGe_x:H выглядит следующим 1.4

образом:

Таким образом, имеется возможность

п лавного изменения ширины запрещенной зоны 1.0

материала от 1.1 до 1.8 эВ. 0 0.5 1.0 Х

Пленки a-Si_1-xC_x:H, как правило, получают разложением в плазме тлеющего разряда газовой смеси:

силана (SiH₄) и метана (СН₄), или

силана (SiH₄) и этилена (С₂Н₄).

Зависимость ширины запрещенной зоны материала от концентрации углерода оказывается более сложной, чем в случае пленок кремний-германий, и в большой степени зависит от режимов и методов изготовления. Это объясняется тем, что атомы углерода, в отличие от германия и кремния, могут иметь различную гибридизацию электронных орбиталей и образовывать, соответственно, различные структурные единицы.

Вполне естественно, что в аморфных пленках системы кремний-углерод, в зависимости от условий изготовления и содержания углерода, атомы углерода могут принимать различную валентность, изменяя таким образом фундаментальные свойства пленок. ΔЕ, эВ

В сё же при использовании метода 2.8

р азложения газов в плазме тлеющего разряда,

зависимость ширины запрещенной зоны 2.4

м атериала от содержания углерода имеет,

примерно, следующий вид:

2.0

В заключение необходимо отметить,

ч то плотность локализованных состояний в 1.6 Х

пленках a-Si_1-xGe_x:H и a-Si_1-xC_x:H на 0 0.5 0.7 1.0

сегодняшний день выше, чем в пленках гидрогенезированного аморфного кремния. Таким образом, приобретая возможность изменять ширину запрещенной зоны материала, мы платим за это ухудшением его качества.

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО АМОРФНОГО КРЕМНИЯ МЕТОДОМ

ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

(Пиролиз – термическое разложение газа)

(CVD – chemical vapor deposition)

В технологии монокристаллических полупроводников метод термического разложения газа (SiCl₄, SiH₄) или пиролиз широко применяется для изготовления монокристаллических слоёв кремния на монокристаллических подложках (эпитаксия). Вы будете подробно рассматривать эпитаксию в курсе «Технология полупроводниковых приборов».

Конечно, очень заманчиво применить готовую, отработанную технологию для изготовления пленок гидрогенизированного аморфного кремния. Схема установки в простейшем печь

с лучае имеет следующий вид: