Научная статья на тему 'Получение, легирование и свойства аморфных пленок кремния с изовалентной примесью германия'

Получение, легирование и свойства аморфных пленок кремния с изовалентной примесью германия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
607
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Ершов А. В., Машин Н. И., Хохлов А. Ф., Чучмай И. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Получение, легирование и свойства аморфных пленок кремния с изовалентной примесью германия»

6.0

А

4,0

<

ъ

I? 2,0

0

1,5 2*5 3,5

hv(eV)-----

Рис.2, Спектральная зависимость фотotцншодимости пленок Bi2Oh ото* жженных в воздухе при температурах 473 (l)t 573 (2) и 673К (3)

Нами было проведено исследование электросопротивления пленок окиси висмута с помощью декорирования их атомами меди и сделано заключение: границы зерен являются потенциальными барьерами дли носителей заряда с приведенным вкладом в удельное сопротивление 6* Ш7Ом-ш.

Анализ ВАХ » рамках теории полупроводниковых бикрист&плов, содержащих межгранульные барьеры, при условии полного заполнения ловушечных состояний на границах зерен [3] позволил вычислить электрофизические параметры Bi\03; концентрация ловушек Na«!,7T018cm'\ подвижность постелей заряда

0,6см2/Вс, высота барьера <р$«0,3\>В.

ЛИТЕРАТУРА

* I. Петцомьд З.Л, Шишков CJL Параметры локальных состояний в шнких илеи-ках а'*В12Оз.//Ич», вузов СССР. Сер. Фшмкц. №?3293~79деп. Томск, 1979,

2. Efendiev Sh,M.t Agmiev A.A., Guseinov Уа. Yu. Nonlinear Current-Vo It age Characteristics m Me~Bi203-Me Structure. Phys, Scat. Sol.(a), 1989, v.l 16, pJ05-3I i,

3. Гольдман EM,, Ждан AT: Электропроводность полупроводников с межгра-нульиьши барьерами, //Физика и Техника Полупроводников, 1976. №10. СЛ 839-1845.

УДК 539.213+537.31 L322

А.В. Ершов, Н.И. Машин, А.Ф. Хохлов, И,А, Чучмай

ПОЛУЧЕНИЕ, ЛЕГИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА АМОРФНЫХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ С ИЗОВАЛЕНТНОЙ ПРИМЕСЬЮ ГЕРМАНИЯ

Нижегородский госуниверситет или ПЛ. Лобачевского,

603600> г, Нижний Новгород, Россия, тел,: (8312) 656475* e-mail: ersho vypphys* итг. run net г и

Введение. Ранее нами [1-5] было обнаружено явление снижения плотности локализованных состояний (ПЛС) в щели подвижности "безводородного1' аморфного кремния (a~$i) при изовалентном легировании германием. Пленки a-SiGe получали методом совместного ионно-плазменною распыления и методом ионно-лучевого легирования пленок a-Si германием.

Интерес к и лучению свойств пленок a~SiGe связан с возможностью получения материала со свойствами, подобными гидрогенизированному аморфному кремнию (o-StJI), но с более стабильными характеристиками [3-5].

Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния ИВП Ge, введенной n n-Si при совместном испарении Ge и Si на электрнческнс, фотоэлектрические и оптические свойств л пленок, их чувствительность к легированию акцепторной и донорноЙ примесями и возможность компенсации примеси при повторном инотипиом легировании

Методика эксперимент. Тонкие пленки аморфных сплавов кремний-іермаиий получали при сопмеетном испарении Si и Ge из двух независимых источников в вакуумной установке ВУ-1А. Вариация состава пленок a~Sit„xGex осуществлялась при изменении скорости испарения Ge и постоянной скорости испарения St. Скорость испарения германия фиксировалась с помощью системы контроля по типу кварцевого резонатора. В качестве подложек использовались ситалл, поликор, плавленый кварц, кремний, предназначенные для различных методик исследования полученных пленок. В результате были получены образцы а~ Sif a-Ge и a-SiGe с концентрацией германия в пределах 0*15 ат. %, с толщиной ~ ! мкм,

С целью изучения процессов легирования электрически активными примесями» были проведены эксперименты по имплантации ионов /І* и Р* в слои a-SiGe юл шиной ~ О I мкм

По пученные легированные и нслегнроваииыс пленки отжигались в вакууме не хуже 1.3 10 1 Па Or жиг осуществлялся при температурах от 100 до 450 °С в течение 30 минут. Контроль структуры отожженных слоев осуществляли электро-нографнческнм методом т отражение.

С помощью рентгеновского спектрального флуоресцентного анализа определялся состав и толщина пленок a-SiGe. Анализ проводили па рентгенофлуорес-центном спектрометре VRA-20R фирмы "Cart Zeiss Jena”, Особенности методики РСФА применительно к пленкам a-Sit»xGex подробно рассмотрены в работах (6, 7).

Для измерения проводимости пленок в темноте и фотопроводимости на образцы напылялись алюминиевые контакты планарной конфигурации, напряженность поля между которыми не превышала I01 В/см. Измерения температурной зависимости щ проводились п области температур от 100 до 500 К. Измерения фотопроводимости пленок производились по стандартной методике при постоянном освещении. В качестве источника излучения служила лампа накаливания с водяным фильтром средней мощности излучения 100 мВт/см2,

Слон chSiGe исследовались с помощью ЭПР-спектроскопии. Спектры поглощения электронного парамагнитного резонанса записывались на ЭПР-спектрометре РЭ-1306 и Д-4700 трехсантиметрового диапазона при 300 К. Сигнал ЭПР в исследуемых слоях представлял собой одиночную изотропную линию с g-фактором, равным 2.0055.

Измерения показателей преломления и поглощения пленок мы проводили спектрофотометрическим методом. Здесь были использованы пленки, напыленные на плавленый кварц, имеющий показатель преломления 1,46 - 1.44 в области спектра 0.8 - 2 4 мкм. Оптическая толщина напыленных пленок a-SiGe была 2 - 2.5 мкм, что обеспечивало получение необходимой точности п (~ 1-2 %) и k (~ 1 %) и экспериментальное определение их дисперсии. Спектры пропускания образцов измерялись на двухлучевом спектрофотометре СФ-8 и однолучевом СФ-20. Полученные результаты использовались для расчета п и к, который проводился с помощью ПЭВМ по формуле экстремального пропускания [8J.

Результаты и обсуждении Электрофизические свойства пленок a~SiGe.

Результаты измерений электропроводности неотожженных пленок я-5/С7е, полученных испарением & и йе из раздельных источников, приведены на рис. 1 (кривая /). Для 0 < Пс,е < 15 ат. % удельная проводимость пленок а-ЛСе, измеренная в темноте (а?), ниже, чем для а-£7. Минимальное ее значение имеет место для концентрации германия, равной 4.7 ат. %. при которой пленкн имеют величину <гт почти на два порядка ниже по сравнению с чистым а-5/.

Результаты по отжигу пленок приведены также на рис. 1 (кривые 2, 4). Из него следует, что оптимальной температурой получасового отжига является Татж ~ 350 °С. При отжиге, как было обнаружено и ранее [2], критическая концентрация германия смешается в сторону меньших значений. В нашем случае для пленок а-$Юг с критической концентрацией ИБП (2.2 ат. %) проводимость на три порядка ниже, чем в отожженном (рис. I).

На рис. 2 приведены температурные зависимости проводимости пленок а-

отожженных при 350 °С. Анализ этих зависимостей показал, что при п$е -

2.2 ат. % электроперенос по распространенным состояниям дает доминирующий вклад в проводимость при комнатной температуре. Необходимо отметить, что для пленок с концентрациями германия 2.2 и 2.7 ат. % в исследуемой области температур отсутствует прыжковая проводимость по локализованным состояниям в щели подвижности полу проводника.

Результаты по проводимости пленок а-ЗгОе, полученных совместным испарением, указали на уменьшение вклада прыжковой составляющей проводимости при введении критической концентрации германия в аморфный кремний. Поскольку уменьшение прыжковой составляющей электропроводности связано с уменьшением ПЛС в а-ЗЮе, то это должно отразиться на данных ЭПР-спектросколии, дающих информацию о концентрации одиночных оборванных связей.

Рис. I. Зависимость удельной Рис. 2. Температурные зависимости проводимости пленок а-8Юс от кон- проводимости пленок а-5Юе, ото-центрации Се, введенного при совмест- жженных при 350 V. Концентра-ном испарении, при различных темпе- ция п0е, ат. %; I - 0;2 ~ 0.4; 3 - 2.2; ратурах отжига Тот^ СС: 1 - 20; 4 - 8.4, 5 - 15.0; 6 - 100

2-250- 3-350; 4-400

Результаты ЭПР-измерений для пленок а-ВЮе приведены на рис.З. Сразу после напыления пленок концентрация неспаренных спинов для а-ЯЮе меньше, чем для чистого а-57, даже при измерениях, выполненных при комнатной темпера-

0

5 10 15

псе, ат. %

2 4 6 8 10

103/т, 1/К

туре, что указывает на снижение концентрации ооорванных связей при изовалент-ном легировании аморфного кремния германием.

Высокая фоточувствительность аморфного г идроген из иров ан но го кремния, которая была достигнута за счет компенсации оборванных связей водородом, открыла широкие перспективы использования этого материала для создания дешевых солнечных элементов большой площади для наземных целей [9]. Понятно, что снижение ПЛС в а-5{ при введении ИВП германия должно привести к увеличению фоточу вств ител ь ности материала. Последнее подтверждается экспериментальными результатами по измерению фотопроводимости пленок а-БЮе. На рис.4 приведены данные по фоточувствительности пленок а-51Се, представленной как отношение фотопроводимости к проводимости в темноте.

Для неотожженных пленок а-8!Ое. полученных испарением, Ащ <стг и ~ 1. После отжига фоточувствительность увеличивается до ~ 5-10° для пленок с критической концентрацией германия. Оптимальная температура отжига и здесь равна 350 °С.

2

о

=3

х

S

4 8 12

п Ge, ат. %

16

4 8 12

п с*. ат. %

16

Рис. 3. Концентрация неспаренных спинов пленок a-SiGe при 300 К

Рис. 4. Фоточувствитель-

ность пленок a-SiGe. Тд, 350; 2 - 400

<U; I -

Если сравнить фоточувствительность пленок a-SiGe и a-Si:Ht то для последних >ф, - 103 -г- ]0S (AM5) [9], то есть пленки a-SiGe обладают меньшей фоточувствительностью. В связи с этим, проблема более тщательного подбора условий изовалентного легирования a-Si германием для повышения фоточувствительности остается актуальной.

Оптические параметры пленок a-SiGe. Изучение оптических свойств пленок a-SiGe является актуальным наравне с фотоэлектрическими свойствами, с точки зрения применения слоев в фотоприемных устройствах. Кроме того, оптические постоянные и их дисперсия важны при оценке перспективности пленок а-SiGe для пассивных элементов оптоэлектроники - интерференционных многослойных покрытий, например.

Для измерения оптических свойств использовались пленки с оптической толщиной 2-2.5 мкм. Изучались оптические постоянные пленок - показатель преломления п и коэффициент экстинкции к в зависимости от концентрации ИВП и условий отжига.

Показатель преломления аморфных слоев кремния зависит от условий и ме-

тода их получения. Известно [10], что пленки а-5>', полученные испарением или распылением, имеют большую величину п, по сравнению с кристаллическим кремнием, при одинаковой длине волны света. Известно также, что величина показателя преломления пленок а-5/, полученных распылением, уменьшается от 3.8 до

3.3 (А = 1 мкм) с ростом температуры отжига от 20 до 949 °С и хорошо коррелирует с уменьшением концентрации неспаренных спинов [11]. В [12] показано, что показатель преломления очень чувствителен к температуре осаждения, и оценено это изменение через увеличение поляризуемости образцов, содержащих высокую концентрацию оборванных связей. В указанных работах изменение показателя преломления в зависимости от условий получения и обработки аморфного кремния, а также увеличение п аморфного кремния по сравнению с кристаллом связываются с тремя явлениями: первое - изменением длины ковалентных связей, второе - изменением ковалентных углов, третье - наличием оборванных связей [11]. В связи с этим было интересно рассмотреть концентрационные зависимости оптических постоянных пленок а-5Юе.

На рис.5 приведены дисперсии пик для различных концентраций германия в пленках а-5;'Се, полученных соиспарением и отожженных при 200 °С. Из рис. 5,а видно, что показатель преломления меняется с длиной волны качественно одинаково для всех значений концентрации германия, и пленки характеризуются нормальной дисперсией оптических постоянных. Видим также, что есть тенденция резкого уменьшения показателя преломления при концентрациях германия, близких к критической. Это связано, по-видимому, с тем, что уменьшение плотности локализованных состояний, вызванное насыщением оборванных связей при введении ИВП в <7-57, приводит к снижению абсолютной величины вектора поляризации, оптической диэлектрической проницаемости материала. Это хорошо согласуется с данными электрофизических экспериментов.

Длина волны,нм Длина волны,нм

Рис. 5. Спектральные зависимости показателя преломления (а) и коэффициента экстинкции (6) пленок а-$Юе, полученных совместным испарением и отожженных при 200 ‘С в вакууме. Штриховая линия на 6) соответствует уровню максимальной чувствительности примененного метода по определению к

Анализируя влияние германия на поглощение пленок а-БгСе (рис.5,б), легко заметить, что с ростом концентрации Се коэффициент поглощения смещается в длинноволновую область. Видим, что поглощение пленок а-БЮе меньше, чем у "чистого” йг-А. Это можно объяснить снижением плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми, а значит, и уменьшением вероятности переходов с энергией порядка 0.6 - 0.8 эВ. то есть данный материал становится более прозрач-

ным.

Эти данные для пленок, полученных соиспарением, хорошо согласуются с оптическими свойствами а-ЗіЄе, напыленных совместным ионно-плазменным распылением [1-3]. При концентрации ИВП много больше критической показатели преломления и поглощения увеличиваются, плавно приближаясь к параметрам чистого аморфного германия, что также хорошо согласуется с ранее полученными результатами [2].

Легирование пленок а-8Юе электрически активными примесями, На

рис. 6 приведены дозовые зависимости величины, измеренной в темноте при комнатной температуре, и энергии активации электропроводности (ЫФ). Еа(Ф}) пленок а-5іОе, полученных соиспарением и ионно-легированных фосфором и бором, и отожженных при температуре 350 °С.

0 ^— :ор^ с«г) —► р ■г

Рис. 6. Дозовая зависимость величины и энергии активации электропроводности пленок а-$іОе, ионно-легированных бором и фосфором и отожженных при 350 V

Введение ионов бора с дозами от 1.3-1015 до 1.3* 1017 см 2 приводит к значительному увеличению проводимости от 1 • IО'1’ до 5-Ю"* См/см, то есть более чем на 5 порядков величины. При легировании пленок фосфором проводимость растет на 4 порядка величины и достигает значения ст = МО'3 См/см, и положение уровня Ферми может контролируемо изменяться от + 0.27 до Ес - 0.19 эВ.

На рис. 7 приведены зависимости величины и энергии активации проводимости пленок п-типа, компенсированных примесью бора (а), и пленок р-типа, компенсированных ионами фосфора (б). Доза предварительно введенной примеси составляла величину 1.2 -ЗО17 см'2 (концентрация ~ 2-Ю21 см"3). Рисунок свидетельствует об успешной компенсации электронной проводимости а-5іСе. Р при повторном введении бора и о проявлении тенденции к компенсации при максимальной дозе фосфора в а-5іСїе:Б.

Таким образом, работа показала, что пленки аморфного кремния, содержащие малые (~ 2 ат. %) добавки ИВП германия, полученные совместным испарением из раздельных источников, по своим электрофизическим свойствам приближаются к параметрам о-5г.Н, успешно легируются ионами бора и фосфора. Электрические свойства легированных пленок а-5/Се могут контролироваться путем введения инотипной примеси при использовании эффекта компенсации.

На основании обобщения полученных данных, предлагается механизм поведения ИВП Се с критическими концентрациями в случайной сетке <7-57. Он заключается в снятии изовалентной примесью внутренних механических напряжений, созданных топологическим беспорядком, уменьшении за счет этого концентрации оборванных связей и увеличении упорядоченности матрицы а-5/.

£0

i

(5 16 П

В* ал2)

18

О

&

о

1о&о(Ф . Р’' Ш3)

О

•• ъ %

•2 ° Ъ

w

о

-3 о

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 7. Зависимости величины и энергии активации от электропроводности пленок a-SiGe:P от дозы дополнительно введенных ионов бора (а) и пленок а-SiGe.B от дозы дополнительно введенных ионов фосфора (б) после отжига при 350 X

ЛИТЕРАТУРА

1. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Ершов А.В. и др. // ФТП. 1985. Т. 19. Вып. 12. С. 2204.

2. Хохлов А. Ф., Машин А.И., Ершов А.В и др. II ФТП. 1986. Т. 20. Вып. 7. С. 1288-1291.

3. .Khokhlov A.F, Mashin A.I., Ershov А. V., et. al. II Phys. Stat. Solidi (a). 1986. Vol. 94. N. 1. P. 379-384.

4. Хохлов А.Ф., Ершов А.В., Машин А.И., Мордвинова Ю.А.. II ФТП. 1987. Т. 21. Вып. 10. С. 1907-1909.

5. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Ершов А.В. и др. II ФТП. 1988. Т. 22. Вып. 8. С. 1511-1514.

6. Рудневский Н.К., Машин Н.И., Калинин Ю.С. и др. II Заводск. лаборатория. 1985. N9. С. 34-36.

7. Рудневский Н.К., Машин Н.И., Калинин Ю.С. II Заводск. лаборатория. 1985. N 12. С. 28-30.

8. Раков А.В. Спекрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур. М.: Сов. радио, 1975. - 175 с.

9. Аморфные полупроводники и приборы на их основе / Под ред. Й. Хамакавы. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

10. Оптические свойства полупроводников: Справочник / В.И.Гавриленко,

А.Н.Грехов, Д.В.Корбутяк и др. Киев: Наукова думка, 1987. 606 с.

\\. Brodsky М.Н., Title R.S., Weiser К., et. al. И Phys. Rev. 1970. Vol. Bl. N 6. P. 2632-2641.

\2.Schwidefsky F. II Thin Solid Films. 1973. Vol. 18. N 1. P. 45-52.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.