ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ВОВК ЯРОСЛАВ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 537.311.322

ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ ТА ЗАХОПЛЕННЯ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В ГЕТЕРОСИСТЕМАХ АМОРФНА ПЛІВКА – КРИСТАЛІЧНИЙ КРЕМНІЙ

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук

Назаров Олексій Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук

Каганович Елла Борисівна,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук

Крайчинський Анатолій Миколайович,

Інститут фізики НАН України,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: | Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, кафедра напівпровідникової електроніки, м. Київ |

Захист відбудеться 24 березня 2006 року о 14 год. 15 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, м. Київ, 03028

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, м. Київ, 03028

Автореферат розісланий 21 лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук, професор Іщенко С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Починаючи з 60-х років минулого століття монокристалічний кремній (c-Si) є домінуючим матеріалом для мікроелектроніки завдяки його механічним, хімічним і електричним властивостям. Однак, швидкий розвиток комунікаційних технологій в останні роки потребує оптоелектронних елементів здатних генерувати, модулювати і приймати оптичні сигнали. Нажаль, кристалічний кремній, внаслідок непрямозонної структури, має низьку ефективність при його використанні у якості світлового емітера. Крім того, через малу ширину забороненої зони c-Si (1.1 еВ), неможливо отримати випромінювання у видимому та ультрафіолетовому діапазонах довжин хвиль. В зв’язку з цим виникає необхідність у створенні і дослідженні нових мікро- та оптоелектронних приладів на основі гетеросистем, які б могли поєднати досягнення сучасної кремнієвої технології з унікальними властивостями інших матеріалів. Найбільш цікавими, в технологічному і економічному аспектах, є гетеросистеми, що складаються з аморфних напівпровідникових або діелектричних плівок нанесених на монокристалічну кремнієву підкладинку. Такі системи дозволяють реалізувати як потужні і високовольтні прилади на базі плівок аморфного карбіду кремнію (a-SiC), так і інтегральні електролюмінесцентні прилади на основі шарів аморфного гідрогенізованого кремнію (a-Si:H), легованого атомами рідкоземельних елементів (РЗЕ), або діоксиду кремнію (SiO2), що містить нанокластери Ge. Однак створення ефективних приладів на базі таких гетеросистем вимагає, в першу чергу, детального вивчення процесів переносу та захоплення носіїв заряду, як на межі розподілу аморфний матеріал /c-Si, так і в об’ємі аморфних плівок, якість яких суттєво впливає на електричні та оптичні властивості приладів. Крім того, знання цих фізичних процесів дозволяє пропонувати матеріали, технологічні операції і конструкції, які треба використовувати, щоб отримати прилади з необхідними властивостями.

В зв’язку з вищесказаним, актуальність наукової задачі, що вирішується у даній роботі обумовлена необхідністю ретельного дослідження і пояснення процесів переносу та захоплення носіїв заряду в гетеросистемах аморфна плівка – кристалічний кремній, а також впливу, на ці процеси, низькотемпературної ВЧ плазмової обробки, для можливості створення більш ефективних і надійних мікро- та оптоелектронних приладів з використанням стандартної кремнієвої технології.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, що увійшли до дисертаційної роботи, були отримані в рамках планових фундаментальних досліджень Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, а також по темам міжнародних проектів:

- Бюджетна тема “Дослідження електронних процесів на межах поділу тонкоплівкових гетероструктур на основі матеріалів IV групи у широкому діапазоні температур і під дією зовнішніх впливів”, 2000 – 2002, номер держ. реєстрації: 0100U000112.

- Бюджетна тема №9 “Електрофізичні дослідження тонкоплівкових багатошарових структур на основі широкозонних матеріалів SiC і SiO2, 2003 – 2005, номер держ. реєстрації: 0103U000381.

- Міжнародний проект Copernicus “Light-Emitting Device Based on Er-doped Amorphous Silicon for Operating with Silica Glass Optical Fibers” Contract No: 977048-SIER, 1998 – 2000.

- Міжнародний українсько-німецький проект “Дослідження явищ люмінесценції та електричної пам’яті в діелектричних шарах SiO2, які мають нанокластери Si/Ge”, 2001 – 2003, договір №2М/164-2001 від 15 червня 2001 року з Міністерством освіти і науки України.

- Міжнародний проект УНТЦ №2332 “Технологія структур кремнієвих та карбідних плівок на ізоляторі для високотемпературних мікроелектронних приладів”, 2002 – 2003.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в комплексному дослідженні електрофізичних та оптичних властивостей гетероструктур на основі кремнію, таких як, a-Si:H(Er)/c-Si, SiO2(Ge)/c-Si та a-SiC/c-Si, і складається з кількох окремих задач:

1. Встановити механізми переносу носіїв заряду в гетероструктурах a-Si:H(Er)/n-Si, SiO2(Ge)/n-Si та a-SiC/p-Si при різних температурах і робочих напругах.

2. Дослідити глибокі рівні, що утворюються в плівці a-Si:H при введенні ербію.

3. На основі експериментальних даних побудувати модель збудження електролюмінесценції в світловипромінюючій гетероструктурі a-Si:H(Er)/c-Si.

4. Дослідити вплив ВЧ плазмової обробки на електролюмінесцентні властивості і стабільність світловипромінюючих приладів на основі шарів SiO2, що містять нанокластери Ge, а також на електрофізичні властивості гетероструктури a-SiC/p-Si.

Об’єктом досліджень є гетероструктури на основі кремнію та плівок аморфного гідрогенізованого кремнію, що містять ербій, плівок SiO2 з нанокластерами Ge і плівок аморфного карбіду кремнію.

Предметом досліджень є механізми переносу заряду в гетероструктурах a-Si:H(Er)/n-Si, SiO2(Ge)/n-Si та a-SiC/p-Si, механізм електролюмінесценції в гетероструктурах a-Si:H(Er)/c-Si і вплив ВЧ плазмової обробки на електрофізичні та оптичні властивості гетеросистем SiO2(Ge)/n-Si та a-SiC/p-Si.

Методи досліджень, використані в роботі, включають наступні електрофізичні та структурні методики: виміри вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик, а також спектрів термостимульованого струму і ємності в широкому діапазоні температур (80 – 450 К); метод контролю зміни падіння напруги при інжекції електронів в діелектрик на постійному струмі; виміри релаксації ємності; виміри спектрів ЕЛ; метод резерфордівського зворотного розсіювання і вторинна іонна масспектроскопія.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше показано, що в електролюмінесцентних гетероструктурах a-Si:H(Er)/n-Si в режимах, при яких спостерігається ЕЛ на довжині хвилі 1.54 мкм, відбувається ефективне захоплення дірок в плівці a-Si:H(Er), при цьому проходження струму обумовлюється тунельно-рекомбінаційним або тунельно-активаційним процесом за участю дірок з енергією активації близько 0.4 еВ.

2. Вперше запропоновано механізм збудження ербієвої ЕЛ, який визначається захопленням та рекомбінацією на електронно-діркових станах з енергіями EC-0.55 еВ і EV+0.400.44 еВ, розташованих поблизу ербієво-кисневого комплексу, з послідуючою резонансною передачею енергії електрону, що знаходиться на внутрішній оболонці іону ербію 4I15/2 із його переходом на рівень 4I13/2.

3. Показано, що транспорт носіїв заряду в гетероструктурі SiO2(Ge)/c-Si при високих електричних полях (до 10 МВ/см), при яких спостерігається інтенсивна ЕЛ, відбувається шляхом інжекції електронів, які тунелюють через трикутний бар’єр на межі поділу SiO2-Si через дефекти, що розміщені в забороненій зоні діоксиду кремнію на глибині EC-1.8 еВ, із послідуючим частковим захопленням на електронні пастки в об’ємі плівки SiO2 із перетинами захоплення 1=1.410-16 cм-2, 2=2.410-17 cм-2 і 3=2.110-18 cм-2.

4. Продемонстровано, що низькотемпературна ВЧ плазмова обробка, при значних потужностях (Рпл1.2 Вт/см2), призводить до ефективного відпалу як структурних дефектів матриці SiO2, так і люмінесцентних центрів типу нейтральної кисневої вакансії (SiGe і GeGe).

5. Вперше показано, що ВЧ плазмова обробка в оптимальному режимі ((Рпл=0.7 Вт/см2, Тпід=2000С) не призводить до відпалу електролюмінесцентних центрів і одночасно покращує якість SiO2 матриці.

5. Вперше детально проаналізовано механізми переносу носіїв заряду в гетероструктурі a-SiC/р-Si, в залежності від температури та напруги і встановлено, що при прямому зміщенні транспорт носіїв обумовлюється трьома процесами: стрибковою провідністю електронів по станах локалізованих поблизу рівня Фермі; тунельно-активаційним процесом за участю дірок із змінною енергією активації; дірковим струмом обмеженим просторовим зарядом із захопленням на станах експонен-ційно розподілених по енергії. Зворотний струм визначається стрибковою провідністю електронів по станах локалізованих поблизу рівня Фермі та тунелюванням електронів із зони провідності кремнію до зони провідності карбіду кремнію через трикутний бар’єр на межі a-SiC/p-Si.

6. Вперше проведено дослідження впливу низькотемпературної ВЧ плазмової обробки на електрофізичні властивості гетероструктури Al/a-SiC/p-Si. Показано, що ВЧ плазмова обробка призводить до збільшення щільності дефектів локалізованих поблизу рівня Фермі в плівці a-SiC, а також до покращення омічності контакту Al/a-SiC.

Обґрунтування та достовірність отриманих результатів забезпечувалися шляхом використання взаємодоповнюючих електрофізичних методик, узгодженням їх із теоретичними оцінками та літературними даними, і підтверджуються високим авторитетом наукових видань, в яких опубліковано матеріали дисертації, а також широкою апробацією отриманих результатів на міжнародних наукових конференціях.

Практичне значення одержаних результатів

1. Експериментально встановлено, що перенесення заряду в гетеросистемах a-Si:H(Er)/n-Si та a-SiC/p-Si супроводжується захопленням дірок у плівках a-Si:H(Er) та a-SiC, що дозволяє більш точно прогнозувати стабільність роботи приладів на їх основі.

2. Запропонована модель збудження ЕЛ в світловипромінюючих приладах на базі гетероструктур Si:H(Er)/c-Si дозволяє значно підвищити ефективність роботи таких приладів, шляхом збільшення інжекції дірок в плівку a-Si:H(Er).

3. Показано, що після ВЧ плазмової обробки в оптимальному режимі (Рпл=0.7 Вт/см2, Тпід=200 0С) відбувається упорядкування матриці SiO2 із одночасним збереженням концентрації люмінесцентних центрів, що призводить до збільшення тривалості роботи приладів на основі гетеросистеми SiO2(Ge)/c-Si більш як у три рази, крім того, майже в чотири рази зменшується деградація інтенсивності ЕЛ.

4. З’ясовано, що низькотемпературна ВЧ плазмова обробка призводить до зменшення опору контакту Al/SiC більш ніж у три рази, що дає змогу формувати омічні контакти до карбіду кремнію без застосування високотемпературних відпалів.

5. Побудовано комплексну автоматизовану установку та створено програмне забезпечення, яке дозволило реалізувати на її основі значну кількість електрофізичних методик в широкому діапазоні температур 80 – 450 К.

Особистий внесок здобувача. Здобувач приймав участь у постановці задач дослідження та визначенні методів їх вирішення [1-16]. Експериментальні результати, що використовувались у роботах [1-5, 7-16] були отримані за допомогою автоматизованої установки побудованої автором. Здобувачем особисто проводились виміри вольт-амперних [1, 3, 4, 6, 7, 10, 11, 13, 15,16] та вольт-фарадних [1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 15, 16] характеристик; спектрів термостимульованого струму [2, 3, 5, 7-9, 12, 14, 15] і ємності [8]; спектрів електролюмінесценції і падіння напруги при інжекції електронів в діелектрик на постійному струмі [6,10]. Здобувач брав активну участь в обробці та узагальненні отриманих результатів, а також у їх обговоренні та підготовці наукових праць до публікації [1-16].

Апробація роботи.

Основні результати дисертаційної роботи доповідались і містяться в матеріалах наступних міжнародних конференцій, симпозіумів та семінарів:

E-MRS Spring Meeting. SYMPOSIUM F. “Amorphous and Crystalline Silicon Carbide: Material & Applications”. Strasbourg. France. – 2001; E-MRS Spring Meeting. SYMPOSIUM J. “Rare earth doped materials for photonics”. Strasbourg. France. – 2003; E-MRS Spring Meeting. SYMPOSIUM D. “Materials science and device issues for future Si-based technologies”. Strasbourg. France. – 2005; MRS Spring Meeting. Symposium F. “Defect and Impurity Engineered Semiconductors and Devices III”. San Francisco. U.S.A. – 2002; The 21st International Conference on Defects in Semiconductors. Giessen. Germany. – 2001; International Symposium “Rare Earths Luminescence In Solid State Matrices”. St.-Petersburg. Russia. – 2001; Всероссийский симпозиум с участием ученых из стран СНГ. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 1998; II Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2000; Международный симпозиум “Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках”. Санкт-Петербург. Россия. – 2001; III Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2002.

Публікації. Основні результати дисертації викладені у 16 друкованих роботах, опублікованих у вітчизняних та зарубіжних журналах та матеріалах міжнародних конференцій, зокрема 6 – у провідних фахових журналах, 1 – у збірнику наукових праць, 1 – у матеріалах конференцій, 8 – у тезах і доповідях конференцій, симпозіумів та семінарів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Вона містить 139 сторінок, із них 122 сторінки основного тексту, 65 рисунків та 2 таблиці на 4 окремих аркушах, список використаних джерел із 119 найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обґрунтування актуальності теми дисертації, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи, публікації автора, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

В першому розділі описуються експериментальні методики та автоматизована установка для визначення електрофізичних параметрів гетероструктур, що використовувались в даній роботі.

Другий розділ присвячений електролюмінесцентним приладам на основі гетероструктур a-Si:H(Er)/c-Si. У підрозділі 2.1, на основі літературних джерел, проведено аналіз фізичних основ роботи світловипромінюючих напівпровідникових систем на основі кристалічного та гідрогенізованого аморфного кремнію, легованих ербієм. Зокрема зазначається, що люмінесценція в таких структурах виникає за рахунок внутрішньоцентрових переходів між спін-орбітально розщепленими 4f-станами ербієвого іону, з випромінюванням на довжині хвилі 1.54 мкм, що відповідає мінімуму втрат і дисперсії в кварцових волокнах. З літературних даних зроблено висновки, що застосування аморфного гідрогенізованого кремнію у якості матриці, що утримує атоми Er більш доцільне ніж застосування кристалічного кремнію, внаслідок низької розчинності Er атомів, а також сильного температурного гасіння електро- та фотолюмінесценції у випадку c-Si. Крім того, в той час коли для приладів на основі c-Si(Er) механізми фото- та електролюмінесценції досить детально проаналізовані, у випадку приладів на базі плівок a-Si:H(Er) механізм збудження ербієвої електролюмінесценції (ЕЛ), на момент проведення даної роботи, потребував більш детального розгляду. Для того, щоб побудувати модель збудження ербієвої ЕЛ необхідно було визначити глибокі рівні в забороненій зоні плівки a-Si:H, які виникають при введенні в неї атомів ербію, а також детально дослідити процеси переносу та захоплення носіїв заряду в плівці a-Si:H(Er), в тих самих режимах, при яких відбувається ЕЛ, що і було зроблено у наступних розділах.

У підрозділі 2.2 наводяться дані по методам отримання гетероструктур a-Si:H(Er)/c-Si, що використовувались в даній роботі. Дослідження проводилось як на зразках виготовлених за допомогою технології магнетронного розпилення (Magnetron Assisted Silane Decomposition – MASD) так і технології плазмово-стимульованого вирощування із газової фази (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD).

Підрозділ 2.3 присвячений експериментальному дослідженню зворотних вольт-амперних характеристик (ВАХ) гетероструктур a-Si:H(Er)/c-Si, а також аналізу температурних залежностей струму при різних робочих напругах в широкому температурному діапазоні (100 – 320 К).

Виміри спектрів термостимульованого струму (ТСС) та термостимульованої ємності (ТСЄ), ВЧ вольт-фарадних характеристик (ВФХ), а також використання методу термічного фракційного розчищення спектрів (підрозділ 2.4) дозволили визначити енергетичне положення глибоких рівнів в забороненій зоні плівки a-Si:H, що утворюються внаслідок введення атомів ербію: E1=Ec-0.10 еВ, E2=Ec-0.30 еВ, E3=Ev+0.400.44 еВ, E4=Ec-0.55 еВ і E5=Ec-0.65 еВ. Причому рівні з енергіями активації

Рис. 1. Спектр ТСС гетероструктури a-Si:H(Er)/n-Si виготовленої за допомогою технології MASD для двох різних концентрацій ербію.

Ev+0.400.44 еВ та Ec-0.55 еВ, що відповідають пікам струму при температурах 180 – 220 К мають найбільшу концентрацію (рис. 1). Було показано, що широкий пік струму при температурі близько 300 К (рис. 1) з енергією активації близько 0.85-1.0 еВ імовірно пов’язаний із поляри-заційними явищами в кластерах [Er-O], що розташовані в матриці a-Si:H(Er).

У підрозділі 2.5, на основі експериментальних результатів отриманих в підрозділах 2.3-2.4, було запропоновано модель переносу струму та механізм збудження ЕЛ в гетероструктурі a-Si:H(Er)/n-Si. При низьких температурах (до 220 К) та напрузі до 3 В перенесення заряду відбувається за допомогою стрибкового механізму із змінною довжиною стрибка по рівням локалізованим поблизу рівня Фермі, причому електрони є основними носіями заряду (рис. 2 а), щільність таких рівнів становить: N(EF)=7·1016см-3еВ-1. Збільшення зворотної напруги призводить до виникнення мультикрокового тунельного механізму (рис. 2 б). Як слідує із аналізу спектрів ТСС та ВФХ, при такому режимі в плівці a-Si:H(Er) відбувається захоплення дірок. Тому можна зробити висновок, що при зворотній напрузі близько 10 В та вище додатково починається інжекція дірок в плівку a-Si:H(Er) із кремнієвої підкладинки, що призводить до процесів електронно-діркової рекомбінації в плівці (рис. 2 б). Із збільшенням температури вище 220 К з’являються термічно активовані

Рис. 2. Схематичне зображення зонної структури гетеродіоду a-Si:H(Er)/n-Si в різних режимах протікання струму.

тунельні процеси (рис. 2 в), коли електрони та дірки тунелюють на пастки в шарі a-Si:H(Er) після чого термічно закидаються до зони провідності або валентної зони, відповідно. Паралельно з термічно-активованими тунельними процесами принапругах більше 3 В мають місце також струми обмежені просторовим зарядом, що пов’язані з заповненням електронами рівнів з енергією EС – 0.550.6 еВ (рис. 2 в).

На основі представлених експериментальних даних було запропоновано модель збудження ербієвої ЕЛ, яка визначається захопленням та рекомбінацією носіїв заряду на електронно-діркових станах, з енергіями EC-0.55 еВ та EV+0.400.44 еВ, відповідно, розташованих поблизу ербієво-кисневого комплексу, з послідуючою резонансною передачею енергії електрону, що знаходиться на внутрішній оболонці іону ербію 4I15/2 із його переходом на рівень 4I13/2 (рис. 3). Ця модель підтверджується вимірами спектрів ЕЛ на гетероструктурах a-Si:H(Er)/n-Si та a-Si:H(Er)/p-Si. У випадку підкладинки р-типу

Рис. 3. Модель передачі енергії від A-D пар розташованих поблизу включень [Er-O] до іонів Er3+ в матриці a-Si:H.

електролюмінесцентні прилади на базі плівок a-Si:H(Er) випромінюють при прикладанні прямої напруги і демонструють більшу інтенсивність ербієвої ЕЛ, порівняно з приладами виготов-леними на підкладинках n-типу, що говорить про рекомбінаційний характер механізму збудження ербієвої ЕЛ.

Третій розділ присвячено електролюмінесцентним структурам на основі шарів SiO2 імплантованих атомами Ge. В короткому огляді (підрозділ 3.1) зазначається, що прилади виготовлені на основі таких структур випромінюють світло в синьо-фіолетовому діапазоні довжин хвиль, причому сигнал ЕЛ спостерігається неозброєним оком. Однак, незважаючи на переваги, які мають електролюмінесцентні елементи на базі шарів SiO2 імплантованих Ge, в порівнянні з іншими оптоелектронними приладами на основі c-Si, високі електричні поля (до 10 МВ/см), що прикладаються до структур під час роботи, призводять до швидкої деградації інтенсивності електролюмінесценції та локальних пробоїв плівки SiO2. Тому для можливості широкого використання таких приладів необхідно, в першу чергу, суттєво покращити їх стабільність та тривалість роботи, що потребує детального вивчення процесів переносу та захоплення носіїв заряду в плівці SiO2(Ge), а також їх зв’язок із електролюмінесцентними властивостями гетеросистеми SiO2(Ge)/c-Si.

Опис тестових структур, а також обладнання для низькотемпературної ВЧ плазмової обробки, що використовувалось в даній роботі, наведено у підрозділі 3.2.

Дослідження ВАХ і спектрів ЕЛ на структурах SiO2(Ge)/c-Si (підрозділ 3.3), дозволили встановити, що, по-перше, інжекція електронів в плівку SiO2 із c-Si підкладинки відбувається шляхом тунелювання через мілкі пастки (Trap Assisted Tunneling- TAT) з енергією залягання в забороненій зоні SiO2 EC-1.82 еВ і, по-друге, в спектрі ЕЛ спостерігається два основних піки на довжині хвилі 390 і 410 нм, що відповідають нейтральним вакансійним дефектам типу єGeGeє і єGeSiє. В підрозділі 3.4 проводиться аналіз процесів захоплення заряду в шарі SiO2 за допомогою вимірів залежності падіння напруги на структурі SiO2(Ge)/c-Si від часу при пропусканні постійного струму. З цих залежностей було розраховано перетини захоплення електронних пасток в SiO2, які відповідають за деградацію діелектрика під час роботи приладу: 1=1.410-16 cм-2, 2=2.410-17 cм-2 і 3=2.110-18 cм-2.

Вплив низькотемпературної ВЧ плазмової обробки на електролюмінесцентні властивості гетеросистем досліджувався у підрозділі 3.5. Зокрема було показано, що при значних потужностях плазмової обробки (Рпл1.2 Вт/см2) спостерігається значне падіння інтенсивності ЕЛ, що пов’язано з ефективним відпалом ЕЛ центрів, а також збільшенням опору структури SiO2(Ge)/ c-Si. Останній ефект обумовлюється відпалом мілких пасток в забороненій зоні діоксиду кремнію з енергією залягання EC-1.82 еВ, внаслідок чого струмопереніс відбувається по більш глибоким пасткам з енергією EC-2.16 еВ. Разом з тим, плазмова обробка в оптимальному режимі (Рпл=0.7 Вт/см2,

Рис. 4. Залежність напруги, що падає на гетероструктурі SiO2(Ge)/c-Si при пропусканні постійного струму, та інтенсивності ЕЛ від інжектованого електронного заряду для початкової структури та після плазмової обробки при Рпл=0.7 Вт/см2 і Тпід=2000С.

Тпід=200 0С) не визиває падіння інтенсивності ЕЛ і одночасно сприяє відпалу структурних дефектів матриці SiO2 та зменшенню перетинів захоплення електронних пасток: 1=9.410-17 cм-2, 2=1.310-17 cм-2 і 3=1.110-18 cм-2. Покращення структури матриці SiO2 призво-дить до підвищення часу роботи електролюмі-несцентних приладів на базі шарів діоксиду кремнію, що містять нанокластери Ge більш ніж в три рази, крім того, майже в чотири рази зменшується деградація інтенсивності ЕЛ по відношенню до необроблених структур (рис. 4).

У четвертому розділі проводиться дослідження електрофізичних властивостей гетероструктур аморфний карбід кремнію/монокристалічний кремній (a-SiC/n-Si). В короткому огляді літератури (підрозділ 4.1) перераховуються переваги карбіду кремнію, в порівнянні із звичайним кремнієм, для створення стабільних, потужних і високотемпературних приладів, а також зазначається, що використання гетероструктур типу a-SiC/c-Si дозволяє значно здешевити технологію виробництва приладів на основі таких гетероструктур. Також приводяться дані по створенню омічних контактів до SiC, формування яких потребує відпалів при температурах близько 1000 0С.

Тестові структури a-SiC/p-Si були виготовлені за допомогою технології LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), у якості контакту до a-SiC використовувався Al. Виміри

ВАХ контакту Al/a-SiC демонструють омічний характер при напрузі до 10 В (підрозділ 4.2). Отримані гетеродіоди Al/a-SiC/p-Si/Al мають рекордно високу напругу пробою, близько 230 В (рис. 5), і коефіцієнт підсилення струму 103 (для 0.5 В).

Рис. 5. ВАХ гетероструктури a-SiC/с-Si, при кімнатній температурі.

Рис. 6. Прямі ВАХ гетероструктури a-SiC/р-Si виміряні при різних температурах

Виміри ВФХ на гетеродіодах a-SiC/p-Si дозволили розрахувати контактну різницю потенціалів Vdi=0.44 еВ, а також концентрацію станів захоплення в a-SiC, NSiC=5.9x1014см-3, при відомій концентрації NSi=1x1015см-3 (підрозділ 4.3).

У підрозділі 4.4 проводиться вивчення процесів переносу носіїв заряду в гетероструктурах а-SiC/p-Si. Виміри ВАХ, релаксацій ємності, а також температурних залежностей струму при різних напругах, що проводились в діапазоні 100 – 450 К дозволили визначити механізми струмо-переносу, які працюють при різних температурах та напругах і встановити, в яких режимах роботи гетеродіоду а-SiC/p-Si струм визначається електронами, а в яких дірками. Було встановлено, що прямі ВАХ можна розділити на три ділянки A, B і C, в кожній з яких працює свій механізм переносу носіїв заряду (рис. 6). В області “A”спостерігається стрибкова провідність із змінною довжиною стрибка по станам, локалізованим біля рівня Фермі, причому розрахована із залежності lg(T1/2)–(T-1/4) щільність станів на рівні Фермі для а-SiC становила: N(EF)=2.5x1017 см-3еВ-1. В області “B” залежність струму від напруги та температури можна представити у вигляді:

, при V0.1В; , при V>0.1В,

де IB01, IB02 – константи незалежні від температури і напруги, Ea-енергія активації, яка змінюється від 0.58 до 0.22 еВ при збільшенні прямої напруги від 0.1 до 0.55 В, а коефіцієнт =1.14 еВ/В. Приведені залежності описують механізм переносу носіїв заряду за допомогою багатокрокового тунелювання з послідуючою рекомбінацією чи термічною емісією носіїв заряду, причому виміри релаксації ємності показали, що струм в області “B” визначається тунелюванням дірок в плівку a-SiC з боку p-Si підкладинки із наступним термічним викидом у валентну зону a-SiC. І нарешті в області “C” спостерігається насичення струму (рис. 6), що обумовлюється значним опором плівки a-SiC. Залежність струму від напруги описується законом IC=CVn, де ступінь n змінюється від 5 до 2, коли температура зростає від 100 до 373 К. Така залежність характерна для струмів обмежених просторовим зарядом, який визначається транспортом носіїв, обмеженим їх захопленням на енергетично розподілені пастки у забороненій зоні напівпровідника, в цьому випадку відбувається заповнення мілких пасток дірками, які інжектуються з p-Si в плівку a-SiC, що було встановлено із вимірів релаксації ємності. Із температурної залежності струму в області “C” було розраховано енергетичне положення мілких пасток які контролюють перенесення заряду в гетероструктурі a-SiC/p-Si в області “C” Et-Ev 0.18 еВ. Зворотний струм, при малих напругах, визначається стрибковою провідністю електронів по станах локалізованих поблизу рівня Фермі, а при більш високих напругах тунелюванням електронів із зони провідності кремнію до зони провідності карбіду кремнію через трикутний бар’єр на межі a-SiC/c-Si.

Дослідження впливу ВЧ плазмової обробки на електрофізичні параметри гетероструктури a-SiC/p-Si показало, що після обробки при Рпл=1.7 Вт/см2, і Тпл=340 0С відбувається значне збільшення прямого струму в діапазоні малих напруг до 0.2 В (при кімнатній температурі) і суттєве збільшення зворотного струму при кімнатній температурі. Визначено, що значне збільшення прямого струму в області “A” (рис. 6) пов’язане із генерацією, під впливом плазмової обробки, додаткових станів локалізованих поблизу рівня Фермі, через які відбувається стрибкова провідність із змінною довжиною стрибка. При максимальній температурі під час плазмової обробки (340 0С) щільність таких станів, N(EF), зростає майже у 18 разів по відношенню до необробленої структури. При підвищенні температури вимірювання до 350 К і вище вплив плазмової обробки на ВАХ майже повністю відсутній, оскільки в цьому випадку процеси стрибкової провідності не являються домінуючими. ВЧ плазмова обробка крім впливу на струмопереніс в плівці a-SiC і на межі поділу a-SiC/p-Si, також призводить до значного зменшення опору контакту Al/a-SiC. Після обробки при температурі підігріву структур 3400С опір контакту зменшується більш, як у 3 рази. Що дає змогу формувати омічні контакти без проведення високотемпературних відпалів.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі викладено результати комплексного дослідження властивостей гетероструктур на основі кремнію: a-Si:H(Er)/Si, SiO2(Ge)/Si і а-SiC/Si. Проведено дослідження впливу низькотемпературної ВЧ плазмової обробки на властивості гетероструктур SiO2(Ge)/Si і а-SiC/Si.

Основні наукові результати дисертації, висновки та практична цінність роботи полягають в наступному:

1. Встановлено, що в електролюмінесцентних гетероструктурах a-Si:H(Er)/n-Si в режимах, при яких спостерігається ЕЛ на довжині хвилі 1.54 мкм, відбувається ефективне захоплення дірок в плівці a-Si:H(Er), при цьому проходження струму обумовлюється тунельно-рекомбінаційним або тунельно-активаційним процесом за участю дірок з енергією активації близько 0.4 еВ.

2. Визначено, що в забороненій зоні плівки a-Si:H(Er) при легуванні її атомами ербію виникають пастки для електронів і дірок з енергіями EC-0.55 еВ та EV+0.400.44 еВ, відповідно. Запропоновано механізм збудження ербієвої ЕЛ, який визначається захопленням та рекомбінацією носіїв заряду на електронно-діркових станах, розташованих поблизу ербієво-кисневого комплексу, з послідуючою резонансною передачею енергії електрону, що знаходиться на внутрішній оболонці іону ербію 4I15/2 із його переходом на рівень 4I13/2.

3. Показано, що транспорт носіїв заряду в гетероструктурі SiO2(Ge)/c-Si при високих електричних полях (до 10 МВ/см), при яких спостерігається інтенсивна ЕЛ, відбувається шляхом інжекції електронів, які тунелюють через трикутний бар’єр на межі поділу SiO2-Si за допомогою пасток заряду, що розміщені в забороненій зоні діоксиду кремнію на глибині EC-1.8 еВ, із послідуючим частковим захопленням на електронні пастки в об’ємі плівки SiO2 із перетинами захоплення 1=1.410-16 cм-2, 2=2.410-17 cм-2 і 3=2.110-18 cм-2.

4. Виявлено, що низькотемпературна ВЧ плазмова обробка, при значних потужностях (Рпл1.2 Вт/см2), призводить до ефективного відпалу як структурних дефектів ізолюючої матриці SiO2, так і люмінесцентних центрів типу нейтральної кисневої вакансії (SiGe і GeGe). Однак, після ВЧ плазмової обробки в оптимальному режимі (Рпл=0.7 Вт/см2, Тпід=200 0С) відбувається упорядкування матриці SiO2 із одночасним збереженням концентрації люмінесцентних центрів, що призводить до збільшення тривалості роботи приладів на основі гетеросистеми SiO2(Ge)/c-Si більш, як у три рази, крім того, майже в чотири рази зменшується деградація інтенсивності ЕЛ.

5. Встановлено, що в гетероструктурі a-SiC/p-Si, в залежності від температури та напруги, при прямому зміщенні транспорт носіїв обумовлюється трьома процесами: стрибковою провідністю електронів по станах локалізованих поблизу рівня Фермі; тунельно-активаційним процесом за участю дірок із змінною енергією активації; дірковим струмом обмеженим просторовим зарядом із захопленням на станах експоненційно розподілених по енергії. Зворотний струм визначається стрибковою провідністю електронів по станах локалізованих поблизу рівня Фермі та тунелюванням електронів із зони провідності кремнію до зони провідності карбіду кремнію через трикутний бар’єр на межі a-SiC/p-Si.

6. Виявлено, що низькотемпературна ВЧ плазмова обробка призводить до збільшення щільності дефектів локалізованих поблизу рівня Фермі в плівці a-SiC, внаслідок чого відбувається зростання струму через гетероструктуру a-SiC/p-Si при температурах до 300 К, однак при температурах 300 К і вище плазмова обробка практично не впливає на механізми переносу носіїв заряду. Внаслідок інтенсивного бомбардування іонами приповерхневої області плівки a-SiC відбувається зменшення опору контакту Al/a-SiC більш ніж в три рази при максимальній температурі плазмової обробки (3400С).

7. Побудовано комплексну автоматизовану установку та створено програмне забезпечення, яке дозволило реалізувати на її основі значну кількість електрофізичних методик в широкому діапазоні температур 80 – 450 К.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ:

1. Nazarov A.N., Vovk Ya.N., Lysenko V.S., Turchanikov V.I., Scryshevskii V.A., Ashok S. Carrier transport in amorphous SiC/crystalline silicon heterojunctions // J. Appl. Phys. – 2001. – Vol. 89, №8. – P. 4422-4428.

2. Vovk Ja., Nazarov A., Lysenko V., Kon’kov O., Terukov E. Study of Er-related defects in a-Si:H(Er)/c-n-Si heterostructures by thermally activated current spectroscopy //Physica B: Cond. Matt. – 2001. – Vol. 308-310. – P. 382-386.

3. Nazarov A. N., Vovk Ja. N., Lysenko V. S., Kon’kov O., Terukov E. Charge transport, trapping and electroluminescence in erbium doped a-Si:H/n-Si light-emitting heterodiodes // Mat. Sci. and Eng. B. – 2003. – Vol. 105, №1-3. – P. 61-64.

4. Вовк Я.М., Назаров О.М., Лисенко В.С., Ткаченко А.С., Назарова Т.М. Вплив ВЧ плазмової обробки на властивості гетероструктур (а)SiC/p-Si // Оптоэл. и полупр. техн. – 2000. – Т. 35. С. 109-120.

5. Лысенко В.С., Тягульский И.П., Осиюк И.Н., Назаров А.Н., Вовк Я.Н., Гоменюк Ю.В., Е.И.Теруков, Коньков О.И. Влияние эрбия на электронные ловушки в структурах a-Si:H(Er)/c-Si, полученных методом плазмохимического осаждения // ФТП. – 2001. Т. 35, №6. – С. 649-654.

6. Nazarov A.N., Skorupa W., Vovk Ja.N., Osiyuk I.N., Tkachenko A.S., Tyagulskii I.P., Lysenko V.S., Gebel T., Rebohle L., Yankov R.A., Nazarova T.M. Modification of electroluminescence and charge trapping in germanium implanted metal-oxide-silicon light-emitting diodes with plasma treatment // Semic. Phys., Quant. El. & Optoel. – 2005. – Vol. 8, №1. – P. 90-94.

7. Вовк Я.Н., Назаров А.Н., Теруков Е.И., Коньков О.И. Электролюминесцентные гетероструктуры на базе аморфного гидрогенизированного кремния легированного эрбием // Полупроводниковые гетеростуктуры: сб. науч. тр. Гос. Технол. Акад. Воронеж. Россия. – 2005. – С.66-80.

8. Nazarov A., Vovk Ja., Lysenko V., Kon’kov O., Terukov E., Ashok S. Study of Er-related Defects in a-Si:H(Er) Films Used in Light Emitting Heterostructures // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. – 2002. Vol. 719. – P. 145-150.

9. Vovk Ja., Nazarov A., Lysenko V., Kon’kov O., Terukov E. Study of Er-related defects in a-Si:H(Er)/n-Si structures by thermally activated current spectroscopy // ICDS – XXI. Giessen. Germany. – 2001. – P. 184.

10. Nazarov A.N., Vovk Ja.N., Osiyuk I.N., Tkachenko A.S., Tyagulskii I.P., Lysenko V.S., Skorupa W., Yankov R.A. The effect of plasma treatment on the properties of germanium implanted metal oxide semiconductor structures // E-MRS Spr. Meet., Symp. D “Materials science and device issues for future Si-based technologies”. Strasbourg. France. – 2005. – P. 16-17.

11. Вовк Я.Н., Назаров А.Н. Электрофизические исследования гетероструктуры аморфный SiC- кристаллический Si. Влияние ВЧ плазменной обработки // Всероссийский симпозиум с участием ученых из стран СНГ “Аморфные и микро-кристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 1998. – С. 131.

12. Вовк Я.Н., Назаров А.Н., Лысенко В.С., Теруков Е.И., Коньков О.И. Исследование термоактивационных процессов в пленках a-Si:H(Er), полученных магнетронным распылением на n-Si подложке // II Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2000– С. 16.

13. Вовк Я.Н., Назаров А.Н., Лысенко В.С., Турчанников В.Н., Ашок С. Перенос заряда в гетероструктурах аморфный SiC/кристаллический Si // II Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2000– С. 28.

14. Лысенко В.С., Тягульский И.П., Назаров А.Н., Осиюк И.Н., Гоменюк Ю.В., Вовк Я.Н., Теруков Е.И., Коньков О.И. Влияние эрбия на электронные ловушки в структурах a-Si:H(Er)/c-Si, полученных методом PECVD // II Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2000– С. 31.

15. Вовк Я.Н., Назаров А.Н., Лысенко В.С., Теруков Е.И., Коньков О.И. Влияние дефектов, вводимых в матрицу a-Si:H при легировании эрбием, на процессы электролюминесценции в структрах a-Si:H(Er)/c-Si // III Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2002– С. 25-26.

16. Вовк Я.Н., Назаров А.Н., Турчаников B.И., Краснов В.А., Лысенко В.С., Назарова Т.М. Токопрохождение и захват заряда в гетероструктурах (a)-SiС/р-Si // III Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. Россия. – 2002– С. 46-47.

АНОТАЦІЇ

Вовк Я.М. Процеси переносу та захоплення носіїв заряду в гетеросистемах аморфна плівка – кристалічний кремній. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників та діелектриків. Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

В дисертаційній роботі досліджуються механізми переносу та захоплення носіїв заряду в гетеросистемах a-Si:H(Er)/c-Si, SiO2(Ge)/c-Si та a-SiC/c-Si, механізм електролюмінесценції в гетероструктурі a-Si:H(Er)/c-Si, а також вплив низькотемпературної ВЧ плазмової обробки на електрофізичні та оптичні властивості гетеросистем SiO2(Ge)/c-Si та a-SiC/c-Si. В результаті проведених досліджень було встановлено механізми переносу носіїв заряду в гетеросистемах a-Si:H(Er)/c-Si, SiO2(Ge)/c-Si та a-SiC/c-Si, показано, що у випадку гетероструктур a-Si:H(Er)/c-Si і
a-SiC/c-Si струм визначається як електронами, так і дірками. Базуючись на дослідженні процесів струмопереносу і глибоких рівнів, що виникають в забороненій зоні плівки a-Si:H при введенні атомів Er, побудовано модель збудження ЕЛ в гетероструктурі a-Si:H(Er)/c-Si, яка полягає в захопленні та рекомбінації носіїв заряду на електронно-діркових станах, з енергіями EC-0.55 еВ та EV+0.400.44 еВ, розташованих поблизу ербієво-кисневого комплексу, з послідуючою резонансною передачею енергії електрону, що знаходиться на внутрішній оболонці іону ербію 4I15/2 із його переходом на рівень 4I13/2.

Вперше продемонстрована можливість суттєвого покращення стабільності роботи електролюмінесцентних приладів на основі шарів SiO2, що містять нанокластери Ge за допомогою низькотемпературної ВЧ плазмової обробки. Крім того, показано, що низькотемпературна ВЧ плазмова обробка призводить до суттєвого покращення омічності контакту Al/a-SiC.

Ключові слова: аморфна плівка, гетероструктура, струмопереніс, електролюмінесценція, плазмова обробка.

Vovk Ya.N. Processes of the charge carriers transport and capture in the heterosystems amorphous film – crystalline silicon. – Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by specialty 01.0.4.10 – physics of semiconductors and dielectrics. V. Lashkaryov Institute of semiconductor physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

In the dissertation work are investigated the mechanisms of transport and capture of charge carriers in heterosystems a-Si:H(Er)/c-Si, SiO2(Ge)/c-Si and a-SiC/c-Si, mechanism of electroluminescence in heterostructure a-Si:H(Er)/c-Si, and also the influence of low-temperature HF plasma treatment on electrophysical and optical properties heterosystems SiO2(Ge)/c- Si and a-SiC/c-Si. As a result of the conducted investigations were established the mechanisms of the transport of charge carriers in heterosystems a-Si:H(Er)/c-Si, SiO2(Ge)/c-Si and a-SiC/c-Si, it is shown that in the case of heterostructures a-Si:H(Er)/c-Si and a-SiC/c-Si the current is defined by both the electrons and by holes. Based on a study of the processes of current flow and deep levels, which appear in the forbidden band of film a-Si:H with the introduction of Er atoms, is built the model of EL excitation in heterostructure a-Si:H(Er)/c- Si, which consists in capture and recombination of charge carriers on the electron-hole states, with energies EC-0.55 eV and EV+0.400.44 eV, located near erbium-oxygen complex, with the subsequent resonance energy transfer to the electron, which is located on the inner shell of the erbium ion 4I15/2 with its passage to level 4I13/2.

Is for the first time demonstrated the possibility of an essential improvement in the operational stability of the electroluminescent devices on basis of SiO2 layer, which contain