CC BY
53
УДК 621.315.592
ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПЛЕНОК a-Si:H С ПОЗИЦИЙ ТЕОРИИ САМООРГАНИЗАЦИИ
© Н.В. Гришамкима, Т.Г. Авачева, В.Г. Литвинов
Ключевые слова: аморфный гидрогенизированный кремний; теория самоорганизации; растровая электронная микроскопия; атомно-силовая микроскопия.
В работе изучены особенности структурообразования пленок а^і:Н с позиций теории самоорганизации путем анализа изображений поверхности, полученных с помощью растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Пленки а^і:Н были получены методом тлеющего разряда силаносодержащих смесей при различных технологических режимах.
1. ВВЕДЕНИЕ
Особое место в полупроводниковом материаловедении занимают неупорядоченные полупроводники, обладающие целым рядом уникальных физических свойств, делающих их привлекательными для создания новой элементной базы микро- и наноэлектроники. Аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) -наиболее распространенный и перспективный материал данного класса. В отличие от монокристаллических полупроводников, свойства которых хорошо воспроизводимы, для аморфных полупроводников и, в частности, для a-Si:H характерна выраженная взаимосвязь между способом получения материала и его структурными, электрофизическими, оптическими и другими характеристиками [1]. Поскольку распределение вещества по поверхности a-Si:H представляет собой «замороженный» мгновенный снимок процессов роста [2], то интерес представляет именно исследование поверхности пленок a-Si:H.
том а1 множества А и элементом Ъ] множества В определяется как количество информации, которое имеют измерения а1 и Ъ по отношению друг к другу:
IAB (a,’bj )= lOg;
PAB (a,’bj )
РаІЧ )P [bj )
(1)
где РА (аг-) - вероятность получить значение а,■ из набора А, р (bj ) - вероятность получить Ъ из набора В, РАВ) - совместная вероятность получить а, и Ъ
одновременно. Понятие СВИ, которое в двумерном случае не столь тривиально, описывает корреляции в нелинейных системах и применяется для анализа порядка в структуре поверхности в разработанной в ходе данного исследования методике.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
2. ТЕОРИЯ
Применение теории самоорганизации к неупорядоченным полупроводникам развивается относительно недолго. В [3] показано, что а-Б1 (а-БгН) является аналогом модели бифуркации, предложенной Пригожиным, и, как следствие, продуктом самоорганизации.
Применяя метод вложения Ф. Такенса [4] к анализу структурообразования, за основу берется тот факт, что в результате самоорганизации у системы остается небольшое число параметров порядка, которые определяют ее поведение. Метод основан на идее, что любой сигнал от системы содержит в себе информацию обо всех процессах внутри нее, поскольку все части динамической системы взаимосвязаны и могут быть рассмотрены как единое целое.
Дадим теперь определение понятию средней взаимной информации (СВИ). Пусть даны два множества измерений А и В. Взаимная информация между элемен-
В работе исследовались пленки a-Si:H, полученные методом тлеющего разряда (ТР) силаносодержащих смесей, технологические режимы представлены в табл. 1.
Для проведения исследований использовались растровый ионно-электронный микроскоп Quanta 600 FEG и атомно-силовой микроскоп NTEGRA Aura. Результаты представлены на рис. 1-7 (под буквой «а» - изображение, полученное с помощью АСМ, под буквой «б» -РЭМ).
Как видно по изображениям, на поверхности a-Si:H формируются островки различных диаметров. По РЭМ-изображениям можно судить, что крупные островки имеют не однородную структуру, а состоят из более мелких островков. Островки больших размеров имеют более низкую плотность и концентрацию, указывающую на их происхождение из газовой фазы, в то время как островки малых размеров обусловлены потоком радикалов, обладающих низкой подвижностью [5, 6].
Таблица 1
Технологические параметры получения пленок а-БгН
N образца Тип подложки Температура подложки Т °С 1 под^ С Время осаждения Госгвд, часы Толщина пленки dшл, мкм
1 КЭФ-2 220 5 3
2 КЭФ-2 170 5 3
3 КЭФ-2 230 2,5 1,5
4 ЭКДБ-0.03 220 5 3
5 ЭКДБ-0.03 230 2,5 1,5
6 ЭКЭС-0.01 170 5 3
7 ЭКЭС-0.01 230 2,5 1,5
Примечание. КЭФ - кремний электронный, легированный фосфором; ЭКДБ - эпитаксиальный кремний, дырочный, легированный бором; ЭКЭС - эпитаксиальный кремний, электронный, легированный сурьмой.
О
а) 0
а)
а)
Рис. 1. Результаты исследования поверхности образца № 1
Рис. 2. Результаты исследования поверхности образца N° 2
1.0 2.0 3.0 4.0 ыкм д) 1 мкм
Рис. 3. Результаты исследования поверхности образца № 3
1,0 2,0 3.0 4.0 мкм
а)
а)
а)
б)
Рис. 4. Результаты исследования поверхности образца № 4
III 2.0 3.0 4.0 мкм д)
Рис. 5. Результаты исследования поверхности образца № 5
МКМ нм
12
4.0
10
3.0 8
6
2.0
4
1.0
2
0 0
0 1.0 2.0 3,0 4.0 мкм б)
Рис. 6. Результаты исследования поверхности образца № 6
Рис. 7. Результаты исследования поверхности образца № 7
При низкой температуре (170 °С) образуются неоднородности, а при более высокой (220-230 °С) структура более однородна. Этот эффект связан с величиной энергии в зоне роста на поверхности, которая определяет величину поверхностной подвижности адсорбированных частиц и водорода [7, 8]. Время осаждения и, соответственно, толщина пленки также влияют на микрорельеф: наблюдается небольшое уменьшение среднего диаметра островков при увеличении времени осаждения.
Далее была рассчитана средняя взаимная информация и построено вложение Ф. Такенса. В итоге получилось, что значения СВИ попадают в категорию критериев степени порядка, соответствующую хаотической структуре поверхности: СВИ^ < 0,01, СВИ^ < 0,1, СВИата < 0,03. Было выявлено, что при увеличении температуры от 170 до 230 °С СВИ увеличивается примерно в 2 раза, что свидетельствует об увеличении упорядоченности.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлены результаты исследования пленок a-Si:H методами растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. С помощью теории самоорганизации осуществлена попытка объяснения процессов структурообразования неупорядоченных материалов. С помощью комплексного применения методов АСМ, РЭМ и теории самоорганизации проанализировано влияние технологических режимов на структурообразование пленок a-Si:H.
ЛИТЕРАТУРА
1. Айвазов А.А., Будагян Б.Г., Вихров С.П., Попов А.И. Неупорядоченные полупроводники / под ред. А.А. Айвазова. М.: Высшая школа, 1995. 252 с.
2. Авачева Т.Г., Бодягин Н.В., Вихров С.П., Мурсалов С.М. Исследование самоорганизации неупорядоченных материалов с применением теории информации // ФТП. 2008. Вып. 5. С. 513-518.
3. Вихров С.П., Бодягин Н.В. Новый подход к построению технологических систем на примере роста слоев a-Si:H. Рязань: РГРТА, 1994. 108 с.
4. Takens F. Lectures Notes in Mathematics / еds. by D. Rand, L.-S. Young. New York; Warwick, 1980. P. 366.
5. Бердников А.Е. Разработка и исследование технологии высокоскоростного осаждения аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов в плазме низкочастотного разряда: дис. ... д-ра техн. наук. Ярославль, 2001.
6. Будагян Б.Г., Айвазов А.А. Физико-химические основы базовой технологии получения аморфного гидрогенизированного кремния. М.: МГИЭТ(ТУ), 1996. 60 с.
7. Джоунопулос Дж. Физика гидрогенизированного аморфного
кремния / под ред. Дж. Джоунопулоса и Дж. Люковски. М.: Мир,
1987. Вып. 1. 363 с.
8. Джоунопулос Дж. Физика гидрогенизированного аморфного
кремния / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. Вып. 2.
Электронные и колебательные свойства: пер. с англ. М.: Мир,
1988. 448 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Благодарим О.И. Конькова (г. Санкт-Петербург, ФТИ им. Иоффе) за предоставленные образцы.
Работа выполнена в рамках ГК № 14.740.12.0855 «Изучение влияния особенностей структуры на физические свойства перспективных функциональных и конструкционных материалов (наноматериалов)» на оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ БелГУ.
Поступила в редакцию 6 июня 2011 г.
Grishankina N.V., Avacheva T.G., Litvinov V.G. STUDY OF FEATURES OF a-Si:H FILMS STRUCTURE FORMATION FROM THE VIEWPOINT OF SELF-ORGANIZATION THEORY In this paper we studied the characteristics of structure of the films a-Si:H in terms of self-organization theory by analyzing surface images obtained by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Film a-Si:H were obtained by glow discharge silan containing mixtures under various technological conditions.
Key words: hydrogenated amorphous silicon; the theory of self-scanning electron microscopy; atomic force microscopy.
