Научная статья на тему 'Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния'

Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
389
216
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДАТЧИК / ТОНКОПЛЁНОЧНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК / АМОРФНЫЙ КРЕМНИЙ / DATA TRANSMITTER / THIN FILM SEMICONDUCTOR / AMORPHOUS SILICON

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Каррыев Алеми Нуриевич, Комарова Нина Константиновна

Изучены лабораторные образцы фоторезисторов и диодных структур на основе гидрогенизированного аморфного кремния, полученные методом ионной имплантации. Результаты исследований показывают перспективность применения данного полупроводника в качестве исходного материала для тонкоплёночных датчиков, в том числе и в интегральном исполнении.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Каррыев Алеми Нуриевич, Комарова Нина Константиновна

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

THIN FILM DATA TRANSMITTERS BASED ON AMORPHOUS SILICON

The laboratory samples of photo-resistors and diode structures, based on hydrogenised amorphous silicon and obtained by means of ion implantation, have been studied. The results of studies show the prospects of using the given semiconductor as an original material for thin film data transmitters, including those of integral design.

Текст научной работы на тему «Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния»

Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния

А.Н. Каррыев, к.ф.-м.н, Н.К. Комарова, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ

Важным элементом систем автоматического контроля и управления машинами и технологическими процессами в агропромышленном комплексе являются разнообразные датчики, преобразующие физические величины в электрический сигнал. Один из способов повышения чувствительности датчиков состоит в применении в качестве исходных материалов тонкоплёночных полупроводниковых веществ, к которым относится и гидрогенизированный аморфный кремний (а-81:Н). Данный тонкоплёночный полупроводник технологичен и обладает высокими оптическим поглощением и фоточувствительностью в видимой области спектра. Он широко используется для производства солнечных батарей наземного применения, слаботочных источников электроэнергии, в электрофотографии и устройствах изображения [1]. Использование этого полупроводника в датчиках автоматических систем в настоящее время незначительно.

В настоящей работе представлены результаты разработки приборных структур на основе аморфного кремния, которые могут быть использованы в датчиках аграрного назначения.

Создание приборной структуры на основе плёночного полупроводника предполагает формирование в плёнке слоёв с различным типом и величиной электропроводности, обычно путём введения определённых электрически активных примесей. При разработке приборов на основе аморфного кремния следует учитывать некоторые особенности этого полупроводника, которые влияют на диапазон его возможных применений и определяют технологию их изготовления. К ним относятся следующие его свойства:

1. Низкая подвижность носителей заряда.

2. Изменение электрических свойств высококачественных плёнок при интенсивном освещении видимым светом.

3. Ограниченная термостабильность, обусловленная энергией кремниево-водородных связей.

С учётом этих особенностей в работе применили метод ионной имплантации примесей замещения (фосфора, мышьяка, бора) как основной метод легирования аморфного кремния электрически активными примесями. Также были установлены технологические режимы, позволяющие этим методом получать тонкие слои с различной электропроводностью.

Материалы и методы. Исходным материалом служили плёнки гидрогенизированного аморфного кремния, полученные в Гиредмет (г. Москва) методом высокочастотного разложения силана (8Ш4) в реакторе диодного типа, и плёнки, изготовленные магнетронным методом в аргоно-водородной атмосфере. Толщина плёнок составляла 0,42—1,2 мкм. В качестве подложек использовали пластины из плавленого кварца, стекла и полированные диски кристаллического кремния марки КДБ-10. Оптическая ширина запрещённой зоны исходных плёнок составляла 1,76—1,85 эВ, они обладали высокой фоточувствительностью, а их удельное сопротивление при комнатной температуре — р = 108—1010 Ом • см.

Формирование в плёнках слоёв с определённым типом и величиной электропроводности осуществлялось методом ионной имплантации фосфора, мышьяка и бора на ускорителе тяжёлых ионов в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и ускорителе «Везувий—9» НИИ физических проблем. Путём облучения ускоренными ионами фосфора и/или бора разных энергий и доз в плёнках создавали легированные слои толщиной 420—450 нм с концентрацией внедрённой примеси от 1018 до 4,5 • 1020 см-3. Радиационные дефекты устраняли путём изохронного термиче-

ского отжига облучённых образцов в высоком вакууме в диапазоне температур 300—350 °С.

Результаты исследований. Влияние легирования фосфором и бором на удельное сопротивление плёнок показано в таблице 1. Как видно, эффект легирования значителен и для образцов с концентрацией фосфора N = 2 • 1020 см-3 и составляет почти пять порядков относительно начального значения. Причём фактор увеличения фотопроводимости в области сильного поглощения света для этих плёнок превышает 150 и обусловлен увеличением времени жизни основных носителей заряда (электронов). В целом интегральное значение фотопроводимости Сф при освещении белым светом у всех легированных образцов было выше, чем у нелегированных, а у легированных фосфором — существенно больше, чем у легированных бором [2].

Металлические контакты к приборным структурам создавались с помощью вакуумного термического испарения на установке ВУП-5. Этим методом на поверхность структур наносили тонкие слои алюминия или контакты никель-хром.

1. Удельное сопротивление плёнок, ионно-легированных фосфором и бором

Тип и концентрация имплантированной примеси, см-3 Удельное сопротивление р, Ом ■ см

Р(фосфор) В(бор)

2 ■ 1019 1,5 ■ 105

2 ■ 1019 2 ■ 106

2 ■ 1020 3,3 ■ 103

2 ■ 1020 5,6 ■ 104

2 ■ 1018 2 ■ 1018 1,9 ■ 108

2 ■ 1020 2 ■ 1020 2 ■ 105

Исходный материал 1,55 ■ 108

Осуществляли комплексное исследование структуры, состава и свойств исходных и ионнолегированных плёнок аморфного кремния. На одних и тех же образцах измеряли температурные зависимости электропроводности, спектры оптического поглощения, фотопроводимости и фотолюминесценции. Концентрацию дефектов оценивали по пиковой интенсивности спектральной полосы фотолюминесценции с максимумом при 1,2 эВ, чувствительной к концентрации дефектов типа «оборванная связь кремния». В случае приборных структур, представляющих собой фоторезистивные элементы и диодные структуры, измерялись в основном их электрические и фотоэлектрические характеристики.

На основе исходных и легированных плёнок аморфного кремния изготовлены лабораторные образцы фоторезисторов и диодные структуры; на основе гетероперехода аморфный кремний — кристаллический кремний с конструкцией п + - п - а - 8і: Н/р - с - 8і.

Фоторезистивные структуры изготовлены из плёнок, ионно-легированных фосфором и обладающих электронной проводимостью (п — а — 81 : Н ). Толщина плёнки составляет 0,6 мкм, что практически совпадает с областью легированного слоя. Форма светочувствительной области прямоугольная с шириной зазора между контактами 0,5 мм. Электрические контакты создавались путём вакуумного, термического испарения алюминия на поверхность плёнок. Фоточувствительность структур оценивали по отношению их сопротивления в темноте Rт к сопротивлению Яф при освещении «белым» светом лампы накаливания (Е = 50 мВт/см2), фотодеградацию оценивали путём длительного освещения при заметно большей освещённости (Е > 200 мВт/см2).

Фоторезистивные структуры с разным содержанием примеси отличались по своим характеристикам. Было установлено, что на параметры фоторезисторов определяющее влияние оказывают следующие технологические режимы: режим имплантации ионов примеси (энергия и доза ионов), температура и длительность постимплантационного термического отжига. Изменяя режимы, можно получать структуры с разными значениями фоточувствительности, темнового сопротивления Ят и постоянной времени т. Некоторые параметры фоторезистора с концентрацией имплантированного фосфора 2- 1020 приведены в таблице 2.

2. Характеристики фоторезистора из п - а - 8і : Н

Темновое сопротивление, МОм 20

Напряжение, В 50-100

Отношение Ят / Яф 150-200

Постоянная времени по спаду фототока, т, мкс 15-20

Длина волны максимума чувствительности, X, мкм 0,6-0,7

Область спектральной чувствительности, ДХ, мкм 0,4-1,1

Полученные структуры обладали стабильностью. Их характеристики не изменялись с течением времени, при неоднократном термо-циклировании от температуры жидкого азота до комнатной и при продолжительном освещении видимым светом.

Осуществляли лазерную кристаллизацию путём облучения плёнки с имплантированными ионами мышьяка а-8кН (Аз) (энергия ионов — 100 кэВ, доза — 8 • 1015 см-2) одиночными импульсами рубинового лазера длительностью 40 нс. Толщина плёнки составляла 0,6 мкм. Распределение атомов мышьяка при данной энергии ионов имеет вид кривой Гаусса с максимумом концентрации на глубине от поверхности при-

мерно 61 нм и «хвостом», простирающимся на глубину 80—90 нм [3].

При облучении лазерным импульсом с энергией 0,86 или 1,08 Дж/см2 происходила полная кристаллизация плёнки с образованием тонкого легированного слоя п-типа, толщина которого соответствует области внедрения имплантированной примеси мышьяка. В целом образцы плёнки а-81:Н (Аз) после лазерной кристаллизации имели вид мелкозернистых поликристаллических слоёв с размерами зёрен 2—6 мкм. Поверхность плёнок гладкая, а сами кристаллизованные слои плотные, с хорошей адгезией. Они обладали п-типом проводимости со средним удельным сопротивлением (при 300 К) 3—4-104 Ом см и небольшой фоточувствительностью в видимой области спектра, которая в основном обусловлена тонким слоем с имплантированными ионами мышьяка.

Образцы диодных структур на основе гетероперехода аморфный кремний — кристаллический кремний имеют конструкцию п + — п — а — : Н/р — с — , показанную на

рисунке.

Свет а-81:И е-81

Рис. - Схема диодной структуры

Основным элементом структуры является плёнка гидрогенизированного аморфного кремния, осаждённого методом высокочастотного разложения смеси силана SiH4 и фосфина РН3 на пластину из кристаллического кремния, обладающего дырочной проводимостью. Исходная пленка а-81:Н(Р) обладает электронной проводимостью с удельным сопротивлением р = 6 • 103 Ом см и толщиной 1 мкм. Имплантацией ионов фосфора с последующим термическим отжигом в плёнке (с фронтальной стороны) создавался слой с повышенным содержанием фосфора толщиной 0,45 мкм. Концентрация имплантированного фосфора в этом слое со-

ставляет N = 2 • 1020 см-3, а общая концентрация фосфора равна N = 4,5 • 1020 см-3. Электрические контакты из алюминия наносились на фронтальную поверхность структуры в виде системы полосок и сплошным слоем на тыльную сторону. Полученные структуры обладают выпрямительными свойствами. Вольт-амперная характеристика в темноте достаточно хорошо описывается выражением:

У = У0 •

exp(-^-) — 1

пкТ

где / — плотность тока;

/0 — плотность тока насыщения; и — напряжение, Т — температура; п — коэффициент качества диода, имеющий значение 1,8—2,0.

Образцы обладают фоточувствительностью в спектральном диапазоне от 0,38 до 1,3 мкм, что больше, чем у солнечных элементов, изготовленных только а — 81: Н. Полученные диодные структуры измеряли в режиме фотопреобразования солнечной энергии. При освещённости солнечным светом 100 мВт/см2 полученные диодные структуры имеют следующие параметры: напряжение холостого хода ихх = 0,3—0,4 В, плотность фототока короткого замыкания /кз = 2,0—2,9 мА/см2, а коэффициент полезного действия п = 0,6%.

Выводы. Разработаны технологические режимы, позволяющие методом ионной имплантации создавать тонкие легированные слои аморфного и поликристаллического кремния, обладающие фоточувствительностью в видимой области спектра.

Разработаны и исследованы характеристики лабораторных образцов фоторезистора и диодных структур на основе аморфного кремния, которые могут быть использованы в датчиках аграрного назначения.

Гидрогенизированный аморфный кремний представляет собой перспективный материал для датчиков аграрного назначения, в том числе и в интегральном исполнении.

Литература

1. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991. 670 с.

2. Акимченко И.П., Вавилов В.С., Каррыев А.Н. и др. Фотоэлектрические и оптические свойства плёнок а-8кН с имплантированными ионами фосфора и бора // Физика и техника полупроводников. Л.: Наука, 1986. Т. 20. Вып. 5. С. 818-821.

3. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А. и др. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: Издательство БГУ, 1980. 350 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.