Структура та фізичні властивості кремнійових композицій з розупорядкованими шарами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

СТРУКТУРА ТА ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЙОВИХ КОМПОЗИЦІЙ З РОЗУПОРЯДКОВАНИМИ ШАРАМИ

спеціальність 01. 04. 10 - Фізика напівпровідників та діелектриків

ХРИПКО СЕРГІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 621. 315. 592. 382: 621. 383. 4

Запоріжжя -1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Левінзон Давид Іделевич, Запорізька державна інженерна академія, завідувач кафедри фізичної та біомедичної електроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Литовченко Петро Григорович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділу радіаційної фізики кандидат фізико-математичних наук, доцент Бахрушин Володимир Євгенович, Запорізький державний університет, доцент кафедри твердотілої електроніки та мікроелектроніки.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників НАН України Міністерства освіти України м. Київ, відділ фізичних основ інтегральної електроніки.

Захист відбудеться 9 09 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К17. 051. 04 в Запорізькому державному університеті за адресою: 330600, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ЗДУ за адресою: 330600, Україна, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66.

Автореферат розісланий “25"__07__ 1999 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

багатофазна шарувата система кремній

Актуальність теми. Успіхи в дослідженні фізичних процесів, які відбуваються в тонких напівпровідникових шарах та шаруватих структурах типу діелектрик - напівпровідник, метал - діелектрик - напівпровідник, гетероперехідних композиціях та ін., майже цілком визначають прогрес сучасної твердотілої електроніки та мікроелектроніки.

Ведеться активний пошук нових фізичних ефектів, пов'язаних із взаємодією багатофазних структур, створених за допомогою іонної імплантації, високотемпературних і електрохімічних процесів. Вивченню динаміки взаємодії різноманітних за фізичною структурою плівкових композицій, їх впливу на головні фізичні характеристики (електричні, структурні, оптичні) присвячена значна кількість робіт.

Тому на перший план висуваються проблеми вивчення ефектів, пов'язаних з різноманітними фізичними чинниками впливу, такими як термічні обробки, радіаційне опромінення, гетерування, іонна імплантація на показники якості згаданих структур та композицій, виготовлених переважно на основі кремнію, який є і залишається головним матеріалом в напівпровідниковому приладобудуванні.

Незважаючи на великий обсяг теоретичних і експериментальних результатів, які накопичено в цьому напрямку, досі відчувається нестача систематизованих даних, які описують процеси гетерування дефектів, механізми комплексоутворення, формування шарів різного призначення в функціонуючих областях напівпровідникових структур.

Варто врахувати, що позитивних результатів можна досягти тільки завдяки комплексному підходові, що містить у собі знання фізичних процесів, які відбуваються в багатошарових структурах, керування ними та моделюванням.

До моменту постановки роботи не були достатньо повно вивчені механізми взаємодії розупорядкованих багатофазних шаруватих структур із домішковими і дефектними комплексами в кремнію; кінетичні особливості формування плівок пористого кремнію; проблеми, які пов'язані з впливом складу і структури шаруватих фаз на оптичні, фізичні, електричні характеристики виробів твердотілої електроніки.

Об'єктами для досліджень були обрані: базові елементи мікроелектроніки: кремнійовий епітаксійно -планарний транзистор і базовий елемент фотоелектроніки: кремнійовий фотоелектричний перетворювач.

В останні роки один з найбільш перспективних напрямків у розробці та вдосконаленні напівпровідникових приладів пов'язується з використанням композицій з розупорядкованими шарами. Слід також взяти до уваги, що до початку наших досліджень роль таких композицій в формуванні базових фотоперетворювальних композицій типу широкозонний напівпровідник - діелектрик - вузькозонний напівпровідник і планарних біполярних транзисторних структур, була висвітлена досить слабо.

Все вище наведене дозволяє вважати, що поставлена при виконанні цієї роботи завдання вивчення структури та фізичних властивостей кремнійових Кремнійовий. Російсько-український фізичний словник/ Укл. В.В. Гейченко, О.З. Жмудський, П.П. Кузьменко, Є.Д. Майборода. -К.: Вид-во АН УРСР. -1959. -С.67. композицій з розупорядкованими шарами досить актуальне як в науковому, так і в практичному аспектах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з плановими комплексними дослідженнями кафедри компонентів та матеріалів електронної техніки Запорізької державної інженерної академії за темами:

1. Шифр М-336. 13 “Розробка і впровадження високоефективної технології створення фотоперетворювачів та сонячних батарей на їх засаді з використанням вторинних ресурсів напівпровідникового виробництва" (1993-1995 р. р., галузевий план Міністерства промисловості України).

2. Програма 04. 00 Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології. Розділ 04. 10 “Нетрадиційні і відновлювальні джерела енергії та ефективні системи їх використання” 04. 10. 02/001к-95 (05. 21. 04/155-93 Модуль) “Розробка і впровадження промислової технології виготовлення фотоперетворювальних елементів для сонячних батарей" (1993-1996 р. р., Замовник - Державний комітет України з питань науки та технологій).

3. Держбюджетна тема “Розробка і дослідження технології формування кремнійових структур з діелектричними шарами, фотоелектричних перетворювачів та багатофункціональних елементів на їх засаді" (1994-1996 р. р., тематичний план Міністерства освіти України).

4. Держбюджетна тема ”Дослідження фізичних властивостей та фазового складу твердотілих кремнійових структур” (1997-1999 р. р., тематичний план Міністерства освіти України наказ №37 від 13. 02. 97 р.).

Мета роботи -- комплексне теоретичне та експериментальне дослідження структурних і електрофізичних характеристик багатофазних шаруватих систем на основі кремнію, а також впливу гетеруючих і віддзеркалювальних шарів на властивості фотоперетворювальних і транзисторних композицій.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні завдання:

Розробити та вдосконалити комплекс методів та засобів контролю структурних (оптична мікроскопія, просвітлювальна та растрова електронна мікроскопія) та електрофізичних (питомий та поверхневий опір, вольтамперні та вольтфарадні характеристики, коефіцієнти поглинання та відбиття, генераційний час життя та інш.) параметрів виготовлених композицій.

Дослідити процеси комплексоутворення з участю домішок та рухомих дефектів структури з урахуванням дії локальних пружних механічних напруг в кремнійових структурах з імплантованим іонами аргону шарами та плівками пористого кремнію.

Провести математичне моделювання пружних напруг, які ініційовані локальною іонною імплантацією аргону на поверхні кремнійових структур.

Дослідити електрофізичні та структурні параметри кремнійових гетероперехідних композицій типу напівпровідник- діелектрик- напівпровідник, які містять розупорядковані шари, а також здійснити експериментальну перевірку одержаних результатів шляхом виготовлення на їх основі фотоелектричних перетворювачів.

На основі отриманих експериментальних результатів провести статистичне моделювання та розрахунки параметрів вольтамперних характеристик фотоелектричних перетворювачів.

Наукова новизна.

Вперше отримано результати комплексних досліджень якісних та функціональних параметрів оригінальних базових напівпровідникових фотоперетворювальних композицій типу напівпровідник - діелектрик - напівпровідник з шаром пористого кремнію ITO/porSi/nSi/n+Si та ITO/porSi/nSi/n+Si Al і n-p-n біполярних кремнієвих транзисторних структур, в яких присутні розупорядковані шари.

Вперше запропоновано та досліджено легування ITO-шарів дікетонатом алюмінію [Al (AA) ₃], встановлено і з'ясовано пов'язане з цим підсилення поглинання світла (на 2, 3% в діапазоні довжин хвиль 0, 42-0, 61 мкм) та зменшення поверхневого опору плівки In_xSn_yO до значень 10 Ом/.

Вперше здійснено статистичне моделювання ВАХ гетеропереходу типу ITO/porSi/nSi/n+Si, що дозволило кількісно оцінити внесок процесів дифузії, об'ємної, поверхневої рекомбінації та генерації носіїв заряду в механізм додаткового поглинання фотонів у шарі пористого кремнію.

Розроблено аналітичну модель формування макроскопічних пружних напруг при імплантації іонів аргону в транзисторну структуру n-p-n типу, що пояснює локалізацію поверхневих стоків для рухливих дефектів та домішок на лицевій поверхні композиції.

Особистий внесок дисертанта. Автор спланував і виконав більшість експериментальних досліджень, здійснив фізичну інтерпретацію одержаних результатів, підготував особисто та в співавторстві основні наукові публікації, які були покладені в основу дисертаційної роботи і визначили її наукову новизну. Дисертанту належить провідна роль в методологічному, апаратурному та метрологічному забезпеченні роботи, виготовленні дослідних та малосерійних зразків, обробці результатів вимірювань з використанням ПЕОМ.

Достовірність отриманих у дисертації результатів підтверджується належним ступенем їх узгодженості з відомими та опублікованими теоретичними та експериментальними даними інших дослідників, високим рівнем їх метрологічного забезпечення, ефективністю впровадження.

Практична цінність.

Розроблено регламент виготовлення фотоперетворювальних гетероструктур, легованих ацетілацетонатом алюмінію, з високими показниками якості та технологічності, які можуть бути використані і частково використовуються на Запорізькому державному титано - магнієвому комбінаті, Запорізькому виробничому об'єднані “Гамма”, в проблемній лабораторії ЗДІА.

Розроблено регламент, що передбачає комбіноване гетерування при формуванні транзисторних кремнієвих композицій з розупорядкованими шарами, який використовується в ЗПО “Гамма”.

Результати, наведені в дисертації, використовуються в навчальному процесі (ЗДІА).

Результати досліджень в сукупності можуть бути використані для подальшого вивчення фізичних процесів у напівпровідникових композиціях з розупорядкованими шарами, удосконаленні існуючих технологічних процесів мікроелектроніки, при розробці напівпровідникових приладів та інтегральних схем наступних поколінь.

Апробація роботи.

Основні матеріали дисертації доповідались і обговорювались на національних та міжнародних наукових конференціях і симпозіумах, в тому числі на:

Тhе International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors (CMSCDSS-94), жовтень 1994 р., м. Чернівці.

IX Всеросійському симпозіумі з растрової електронної мікроскопії і аналітичних методів дослідження твердих тіл (SEM'95), травень 1995 р., м. Чорноголівка.

V Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок, жовтень 1995 р., м. Івано-Франківськ.

V Російській науковій студентській конференції, червень 1996 р., м. Томськ.

Першій Всеросійській конференції з матеріалознавства і фізико-хімічних основ технології отримання легованих кристалів кремнію (Кремній-96), листопад 1996 р., м. Москва.

Fourth International symposium on space means for power utilities (SPS'97), серпень 1997 р., м. Монреаль, Канада.

Second international school-conference on physical problems in material science of semiconductors (РРMSS-97), вересень 1997 р., м. Чернівці;

Основні положення роботи періодично доповідались і обговорювались на засіданнях регіонального наукового семінару з фізики, матеріалознавства і технічних застосуваннях напівпровідників, а також на засіданнях і наукових семінарах кафедри компонентів і матеріалів електронної техніки Запорізької державної інженерної академії.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 друкованих робіт, в тому числі 5 статей у наукових фахових виданнях України та інших країн, перелік яких затверджує ВАК України, а також підготовлено три науково-технічних звіти.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел, що включає 185 найменувань. Дисертація викладена на 133 сторінках друкованого тексту і містить 40 рисунків і таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, її зв'язок із науково-дослідними програмами, сформульовані мета і завдання роботи, її наукова новизна і практична цінність та апробація.

У першому розділі наведено результати класифікації розупорядкованих шарів у напівпровідниках. За опублікованими на сьогоднішній день даними відзначається, що основними методами їх формування є анодне травлення та імплантація іонів з високою енергією.

Наведено огляд теоретичних і експериментальних результатів формування фотоперетворювачів типу широкозонний напівпровідник - діелектрик - вузькозонний напівпровідник. Обговорюється роль і особливості використання тунельно-тонкого діелектрика в фотоперетворювачах з структурою ITO/SiO_x/nSi. Висвітлено переваги, що дає застосування тонких ITO-плівок при виготовленні фотоперетворювачів. Вказано на специфічну роль розупорядкованих шарів особливо пористого кремнію, як антивіддзеркалюваних покриттів. Узагальнено дані про оптичні і електрофізичні властивості пористого кремнію в залежності від використаної апаратури і умов формування. Показано, що у сучасній вітчизняній науково-технічній практиці практично відсутній досвід виготовлення фотоперетворювачів на основі композиції типу широкозонний напівпровідник (ITO) - діелектрик - пористий кремній. Визначені найбільш перспективні напрямки дослідження структури та фізичних властивостей шарів пористого кремнію, які отримані за допомогою анодного травлення.

Розглянуто результати експериментальних і теоретичних робіт, які досліджують поведінки рухомих дефектів та небажані домішок, що здійснюють суттєвий вплив на електричні характеристики композиції, який можна зменшити за допомогою проведення відповідних гетеруючих обробок.

Проведено також огляд робіт, присвячених з'ясуванню впливу дефектів, які виникають під час іонної імплантації, і викликають розвинення додаткових пружних напруг і зміну коефіцієнтів дифузії легуючих домішок.

Подано перелік методів гетерування дефектів в активних областях кристала, які базуються на створенні в неактивних ділянках недосконалостей, що поглинають як швидкодифундуючі домішки, так і точкові дефекти.

Описано фізичні ефекти, що супроводжують процес гетерування. Проведено огляд засобів реалізації процесу гетерування, які базуються на ефекті звільнення домішок або розкладання дефектів на складові частини.

Проаналізовано роботи, в яких подано відомості щодо засобів внутрішнього, локального і комбінованого гетерування.

Проведено огляд і аналіз інформаційних джерел, які торкаються умов формування розупорядкованих гетеруючих шарів у транзисторних структурах.

Особливу увагу, зважаючи на істотні переваги, приділено дослідженням властивостей та структури розупорядкованих шарів у транзисторних композиціях, при формуванні яких використовується іонна імплантація.

У другому розділі наведено результати розробки та дослідження методів виготовлення кремнійових структур з розупорядкованими шарами, що використовувались в дисертації.

Описано оригінальну методику виготовлення бар'єроутворюючого широкозонного низькоомного напівпровідника пульверизацією з наступним піролизом, обгрунтовано та рекомендовано основні параметри процесу пульверизації.

Для отримання ITO -шару використовували розчин InCl₃: SnCl₄ (5H₂O) : H₂O: CH₃CH₂OH у таких співвідношеннях: 30-35: 1: 100-150: 100-150.

Температуру підкладки витримували в межах 400-490 С⁰, час нанесення розчину - від 30 до 50 секунд.

Розупорядкований шар з пористою структурою створювали перед операцією нанесення ITO-плівки.

Для цієї мети була розроблена спеціальна лабораторна установка формування шарів пористого кремнію методом анодного травлення в розчині плавикової кислоти, опис якої наведено в дисертації.

У процесі проведення травлення утримання плавикової кислоти в розчині змінювали від 10% до 49%. Товщина отриманих шарів пористого кремнію знаходилася в межах від 0, 514 мкм. Визначення товщини пористого кремнію здійснювали за допомогою оптичного мікроскопу методом косого шліфа з наступним декоруванням межі розділу у розчині (CrO₃: H₂O: HF=3: 6: 2).

Детально описано розроблену експериментальну методику виготовлення фотоперетворювачів, за допомогою якої було виготовлено дослідні зразки.

Розроблено і представлено методику формування транзисторних структур з використанням комбінованих методів гетерування.

Приховані n⁺-шари створювали за допомогою локальної іонної імплантації сурми з енергією 60 кеВ при дозі 1. 5*10¹⁵см^-2 на установці "Везувий-5". З наступною її розгонкою при температурі 1200С^о протягом 3, 5 годин в атмосфері аргону в дифузійній печі типу СДО 125/3-15. Товщина прихованого n⁺-шару при цьому склала 3, 00, 5 мкм, а поверхневий опір - 3510 Ом/.

Приховані р⁺-шари формували за допомогою двостадійної дифузії бору (температури загонки та розгонки відповідно склали 950С^о і 1050С^о).

Формування бази здійснювали за допомогою іонної імплантації бору з енергією 120 кеВ при дозі 3, 5*10¹³см^-2 і розгонкою при температурі 1050С^о.

Емітерну область створювали методом іонної імплантації миш'яку з енергією 60 кеВ при дозі 2, 5*10¹⁵ см^-2. Термообробку імплантованих шарів здійснювали витримкою при температурі 900С^о в азоті з присутністю парів соляної кислоти.

Формування розупорядкованої гетерної області у епітаксійному шарі здійснювалось методом локальної імплантації іонів аргону з енергією 80 кеВ при дозі 6*10¹⁴см^-2. Аналогічно була сформована планарна гетерна область перед операціями формування бази та емітера з енергією 80 кеВ при дозах 2*10¹⁴см^-2_, 5*10¹⁴см^-2_, 7*10¹⁴см^-2_, 4*10¹⁵см^-2_, 8*10¹⁵см^-2_.

На основі цієї методики виготовлені з використанням комбінованих методів гетерування дослідні транзисторні композиції.

Формування шарів пористого кремнію виконувалось перед нарощуванням епітаксійного шару травленням у 10% водному розчині плавикової кислоти при густині анодного току 4 мА/см². Протягом 80 с створювали рівномірний шар пористого кремнію товщиною 0, 7 мкм і густиною 1, 94 г/см³.

Епітаксійний шар, на якому була сформована транзисторна композиція, мав товщину 1, 900, 03 мкм.

Отримано профілі розподілу домішок в епітаксійному шарі. Товщина перехідної області на структурах без плівки пористого кремнію складала 0, 6-0, 7 мкм, тобто практично вона досягала переходу колектор-база, тим самим зменшуючи його пробивну напругу. Товщина перехідної області на структурах з плівкою пористого кремнію складає 0, 2-0, 3 мкм, що позитивно позначається на стабілізації і зростанні пробивних напруг Uкб. Привертає увагу зниження величин струмів витоку I_витэб і I_виткб, а також деякий зріст значень пробивних напруг колектор-база Uкбо (24В), колектор-емітер Uкэо (6В), зменшення витоків.

Третій розділ дисертації присвячено розробкам, проведеним з метою методичного та метрологічного забезпечення виміру фізичних параметрів та ступеню структурної досконалості кремнійових композицій з розупорядкованими шарами.

Описано особливості методики визначення коефіцієнту поглинання та методику розрахунку коефіцієнта відбиття, що використовувались в роботі.

Надано опис методики вимірювання товщини шарів, питомого і поверхневого опору, спектральних, вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик фотоперетворювачів та дослідження ефективної густини пористого кремнію.

Дослідження структури розупорядкованих шарів в кремнії було проведено за допомогою оптичної та електронної растрової і просвічувальної мікроскопії.

Густина дефектів в активних областях транзисторної структури вимірювалась за допомогою селективного травлення з використанням оптичної мікроскопії.

Детально описано методику електронно-мікроскопічних досліджень стосовно дефектів структури в багатошарових кремнійових композиціях.

Аналіз численних фотознімків, отриманих за допомогою растрової електронної та оптичної мікроскопії, дозволяє інтерпретувати дефекти, які спостерігаються як пори.

Вивчення структури пористого кремнію виконувалось за методом аналізу чорно-білого контрасту зображення на основі методики визначення структури малих дислокаційних петель.

Обговорюється, що запропонований метод аналізу чорно-білого контрасту зображення дозволяє визначити природу недосконалостей, якщо вони мають розміри не менше 40 .

Для посередньої оцінки структури пористого кремнію використовували його ефективну густину, яку співставляли з електронограмами поверхні плівок.

Четвертий розділ дисертації містить результати досліджень електрофізичних властивостей та дефектів структури кремнійових фотоперетворювальних композицій з розупорядкованими шарами.

Дослідження зразків за методом растрової мікроскопії показало, що витравлені пори мають пірамідальну форму з вершиною в глибині кристалу і підставою на поверхні пластини.

Із збільшенням долі плавикової кислоти від 20 до 49% у водному розчині при травленні з фіксованою густиною анодного струму 10 мА/см² і часу травлення (3 хвилини) діаметр пор збільшується. При підвищенні густини струму і постійному часі травлення 5 хвилин у розчині 20% плавикової кислоти і 10% етилового спирту, або збільшенні часу процесу до 10 хвилин у розчині 20% плавикової кислоти і 10% етилового спирту при густині анодного струму 10 мА/см² відбувається розтравлення пор.

Діаметр пор на досліджених зразках склав 50-210 . Виявлено, що він збільшується з збільшенням густини струму, часу анодного травлення та товщини плівки пористого кремнію.

Максимальна кількість пор (4*10^{8 -} 8*10⁹см^-2) відповідає діапазону діаметра 50-80 .

Збільшення діаметра пор, як показали дослідження, відбувається не тільки за рахунок розчинення кремнію на їх стінках, але і через ефект об'єднання дрібних, близько розташованих пор.

З мікродифракційних знімків видно, що зразки з пористим шаром мають рефлекси, які відповідають за присутність аморфної складової. Однак лінії Кикучі, характерні для монокристаличного кремнію, повністю не зникають. Із збільшенням густини струму травлення зростає доля аморфної фази.

Для повної оцінки якості композиції необхідно також детально дослідити шар широкозонного напівпровідника. З цією метою проведено вимірювання залежності електричного поверхневого опору плівки In_xSn_yO від процентного складу SnCl₄ (5H₂O) в розчині. Визначено, що при невеликих концентраціях олова в суміші його атоми заміщують атоми індію в структурі плівки, тим самим виступаючи в якості донорів. Проте, при збільшенні в розчині концентрації з'єднання SnCl₄ (5H₂O) зростає наявність фази SnO₂ у складі плівки In_xSn_yО, що призводить до зниження концентрації вільних носіїв заряду і зменшення електропровідності.

Проведено вимірювання поверхневого електричного опору плівки In_xSn_yO, які леговані ацетілацетонатом алюмінію Al (AA₃). Встановлено, що при цьому поверхневий опір плівок зменшується до значень 10 Ом/, при наявності Al (AA) ₃ у розчині біля 2%.

Це може бути пояснено тим, що домішка Al має більш низький власний питомий опір ніж In і Sn.

Проведено розрахунок залежності коефіцієнта відбиття шару ITO від товщини. Найменший розмір коефіцієнта відбиття мають покриття з товщиною від 500 до 800 у діапазоні довжин хвиль 0, 42-0, 61 мкм.

Вивчено вплив температури підкладки на формування плівок In_xSn_yO. Проведено дослідження спектральних характеристик фотоперетворювачів з товщиною плівки 800 , з яких видно, що найбільш сприятливою температурою напилення плівки є 400⁰С для n-типу кремнію та 425⁰С для р-типу кремнію.

Вивчення властивостей області просторового заряду гетероперехіду методом вольтфарадних характеристик показало, що зразки з пористим шаром мають напругу відсічки V_D=0. 53 В, тоді як для зразків без пористого шару ця величина складає - 0. 45 В. Розраховано концентрацію донорних домішок в слаболегованій області епітаксійного шару, яка склала: для зразків без пористого шару -6, 55*10¹⁴см^-3, а для зразків з пористим шаром - 3, 95*10¹⁴см^-3.

Досліджено залежність напруги холостого ходу від довжини хвилі (спектральні характеристики) для фотоперетворювальних композицій типу ITO/SiO_x/porSi/nSi/n⁺Si, ITO (легованого Al (AA) ₃) /SiO_x/porSi/nSi/n⁺Si та ITO/SiO_x/nSi/n⁺Si.

Виходячи з отриманих експериментальних даних, визначено коефіцієнт заповнення () і коефіцієнт корисної дії.

Встановлено, що відбувається додаткове поглинання фотонів у пористому кремнію, що веде до збільшення напруги холостого ходу, струму короткого замикання та і коефіцієнт корисної дії до значень Uoc= 4953 мВ, Isc= 29 мА/cм², =0, 63.

Для з'ясування механізмів, що відповідають за процеси поглинання фотонів, проведено статистичне моделювання ВАХ гетеропереходу напівпровідник - діелектрик - напівпровідник з урахуванням внеску механізмів дифузії, об'ємної, поверхневої рекомбінації та генерації носіїв заряду в об'ємному шарі.

Розрахунок коефіцієнтів вольтамперних характеристик було виконано за допомогою формули:

де D_p, D_n - коефіцієнт дифузії носіїв; p_n0, n_p0 - рівновагові концентрації носіїв; Ln, Lp - довжина дифузії; Nc, Nv - ефективна щільність станів відповідно в зоні провідності та валентній зоні; q - заряд електрону; U - напруга зміщення; k - постійна Больцмана; T - температура; n - коефіцієнт неідеальності, який відповідає за перевищення дифузійного струму над рекомбінаційним; Eg -ширина забороненої зони; W-ширина області просторового заряду; -час життя неосновних носіїв заряду; Vs-швидкість поверхневої рекомбінації; - контактна різниця потенціалів.

Розрахунок коефіцієнтів рівняння вольтамперних характеристик фотоелектричних перетворювачів проводився методом найменших квадратів за результатами вимірів темнових ВАХ із установленою загальною похибкою Е=1*10^-4. Значення Е визначалося таким рівнянням:

,

де y_i -експериментальне значення пошукової функції; f (x_i) - теоретичне значення функції; _i - похибка в одиничному досвіді; i - номер досвіду; m - кількість досвідів.

Якщо f (x) =Z (x, a0, a1, a2, a3.... ak), де a0, a1, a2... ak -коефіцієнти, то Е можна уявити як функцію до перемінного. Тоді за необхідною умовою існування екстремуму функції в точках екстремуму приватні похідні за змінними повинні дорівнювати нулю. Одержимо систему рівнянь:

Вирішуючи чисельним методом цю систему рівнянь, визначаємо значення коефіцієнтів a₀, a₁, a₂,..., a_k.

Введемо такі заміни:

I (Ui) =f (Ui) =

Ii=yi;

Тоді отримаємо таке рівняння:

А система рівнянь (3) буде мати вигляд:

У п'ятому розділі проведено дослідження фізичних властивостей і розподілу дефектів у кремнійових транзисторних композиціях.

Відомо, що основними видами дефектів у приповерхневих областях мішені при іонній імплантації є вакансії і міжвузлові атоми. Вони мігрують у кристалічній решітці і взаємодіють із домішками, сприяючи збільшенню концентрації вторинних дефектів - дівакансій, тривакансій, тетравакансій і комплексів з атомами домішок. У процесі відпалів лінійні дефекти можуть змінювати свої розміри і місцезнаходження в решітці. При цьому встановлено, що дислокації не відпалюються аж до температури 1000⁰С. Характер дефектів в основному визначається типом іонів, дозою та енергією імплантації, а також умовами термообробок. Після імплантації з дозами, що перевищують дозу аморфізації і відповідної термообробки в приповерхневій області, спостерігається полікристалічна фаза.

Іонна імплантація і термообробки при епітаксійному нарощуванні сприяють винекненню механічних напруг і стимулюванню міграції точкових і інших структурних дефектів.

Як відомо, точкові дефекти активно взаємодіють із дислокаціями. Проте вони, як і міжвузлові атоми, можуть знаходиться в квазірівновазі як із дислокаціями, так і з поверхнею.

Для аналізу наслідків взаємодії різних дефектів було проведено моделювання пружних напруг при імплантації іонів аргону в приповерхневий шар кремнію.

Значення пружних напруг розраховували за допомогою рівняння:

де Е - модуль Юнга, - коефіцієнт стиску (розтяги) штахети, обумовлений розмірною невідповідністю атомів впроваджених домішок і атомів решітки, С (х, z) - профіль розподілу домішок; х - розмір області імплантації; z - глибина проникнення іонів; - коефіцієнт Пуасона.

Звідси розраховано дозові залежності значень пружних напруг, утворених розупорядкованими шарами внаслідок іонної імплантації аргону.

З метою визначення розміру довжини рухомості дефектів проведено експериментальні дослідження генераційного часу життя в неімплантованих областях структури. З'ясовано, що збільшення дози імплантації зменшує кількість домішкових та точкових дефектів, що може бути пов'язано з виникненням перехідної області між імплантованими та неімплантованими ділянками, розміри яких за нашими вимірюваннями досягають 50 мкм.

У роботі вперше досліджена можливість використання плівок пористого кремнію як структурного гетеру у процесі виготовлення епітаксійних структур.

Проведено дослідження гетеруючих властивостей пористого кремнію, отриманого перед епітаксійним нарощуванням. Експериментальні дослідження виявили, що збільшення товщини пористого кремнію веде до зростання товщини аморфного кремнію та утворення як полікристалічної фази під час нарощування епітаксійних шарів.

При зміні ефективної густини пористого кремнію від 1, 92 г/см³ до 1, 48 г/см³ густина дефектів у епітаксійній плівці знаходиться в межах від 8. 0*10⁰см^-2 до 1. 2*10⁷см^-2.

Збільшення ефективної густини пористого кремнію від 1, 7 г/см³ до 2, 0 г/см³ веде до зростання густини дефектів до 8*10²см^-2, а зниження її від 1, 54 г/см³ до 1, 5 г/см³ призводить до збільшення густини дефектів до 10⁴см^-2, що відбувається в основному за рахунок проникнення дефектів в епітаксійний шар з гетеруючих ділянок.

Експериментальні залежності густини дефектів у епітаксійному шарі кремнію над областями, які були оброблені анодним травленням, і ті, що не були оброблені, від густини шару пористого кремнію показують, що при густині від 1, 54 до 1, 62 г/cм³ щільність дефектів упаковки та діслокацій над р⁺-областями склала 4*10⁵см^-21, 1*10⁶см^-2, при цьому щільність дефектів над n⁺-областями склала 8*10⁰см²1, 1*10¹см^-2. Це можна пояснити формуванням локальних механічних напруг як у латеральному, так і у поперечному напрямках.

Досліджувалась також залежність густини дефектів від послідовності операцій виготовлення транзисторних композицій з різними дозами імплантації 2*10^{14 -} 7*10¹⁵см^-2 іонів аргону при утворенні комбінованого гетерування.

Таким чином, показано, що ефективність методу структурного гетерування базується на створенні стабільних центрів захоплення домішок і дефектів у локальних ділянках поверхні кремнійових пластин за рахунок бомбардування іонами аргону і забезпеченні відповідних умов утворювання зародків на них. У діапазоні використаних у роботі доз 5-7*10¹⁴ см^-2 імплантовані іони аргону створюють радіаційні дефекти, глибина проникнення яких у кремній складає більше 60 нм.

Зменшення густини дефектів до 1, 45*10¹см^-2 спостерігається, якщо доза імплантації складає 7*10¹⁴см^-2. Це дає додаткові можливості для керування якістю транзисторної структури в залежності від дози імплантації.

В роботі показано, що ефективне керування електрофізичними параметрами транзисторної композиції можливе також шляхом створення гетерних стоків як в об'ємі епітаксійного шару, так і на його поверхні в місцях формування міжелементної ізоляції.

У ВИСНОВКАХ сформульовані основні результати роботи:

Вперше проведено аналіз розвитку пороутворення в структурах з неоднорідним розподілом легуючих домішок, який показав, що лінійність кінетики утворення пор спостерігається тільки до рівня легування Nmax/5. Далі лінійна залежність переходить до параболічної, що пов'язано із більш суттєвою зміною концентрації дірок, які відповідають за активацію процесу пороутворення.

Виявлено, що щільність та товщина плівок пористого кремнію суттєво впливають на процеси перерозподілу дефектів та легуючих домішок у кремнійових епітаксійних структурах. Плівки пористого кремнію із густиною 1, 54-1, 62 г/cм³ та товщиною 2, 5 мкм можуть сприяти гальмуванню процесів твердотілої дифузії легуючих домішок із сильнолегованих у слаболеговані шари та виявляють гетеруючі властивості до точкових дефектів та швидко дифундуючих домішок в епітаксійних структурах.

Проведено статистичне моделювання вольтамперних характеристик фотоелектричних перетворювачів із структурою напівпровідник - діелектрик - напівпровідник. Вперше для таких багатофазних структур, як In_xSn_yO/SiO₂/nSi/n⁺Si та In_xSn_yO/SiO₂/porSi/nSi/n⁺Si за підсумками кореляційного та регресивного аналізу розраховані коефіцієнти темнових вольтамперних характеристик і детермінації.

Вперше досліджено процеси створення багатофазних композицій типу In_xSn_yAl_zO/SiO₂/porSi/nSi/n⁺Si, досліджено електрофізичні та спектральні характеристики фотоелектричних перетворювачів, створених на їх засаді. Встановлено, що використання алюмінію та плівок пористого кремнію, сприяють поліпшенню Uхх, Ікз, коефіцієнту корисної дії та фактору заповнення вольтамперної характеристики фотоелектричних перетворювачів.

Проведено розрахунок пружних напруг у розупорядкованих структурах кремнію, створених за допомогою локальної іонної імплантації аргону та встановлено їх відповідна кореляція з параметрами імплантації. Властивості гетерування дефектів знаходиться в діапазоні доз імплантації від 10¹⁵см^-3 до 5*10¹⁸ см^-3.

Розроблено регламенти створення базового елементу інтегральної електроніки - епітаксійно-планарного транзистору та базового елементу фотоелектроніки - фотоелектричний перетворювач. Експериментально доведено, що використання багатошарових композицій значно підвищує якості електричних приладів.

Основний зміст дисертації відображений в наступних публікаціях:

Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Исследование геттерирования в кремниевых транзисторных структурах// Микроэлектроника. -1996. -Т. 25. -№6. -С. 436-441.

Хрипко С. Л., Коломоец Г. П., Левинзон Д. И., Исследование электрофизических и оптических характеристик ITO/nSi/n⁺Si фотопреобразователей с различной структурой поверхности кремния// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. -1998. -Т. 41. -№11. -С. 67-72.

Хрипко С. Л. Исследование структуры слоев пористого кремния методом просвечивающей микроскопии// Вісник Запорізького державного університету: Збірник наукових статей. Фізико-математичні науки. -Запоріжжя, 1999. -№1. -С. 154-157.

Хрипко С. Л, Левинзон Д. И., Коломоець Г. П. Экспериментальные исследования свойств пористого кремния// Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов в Украине. Сб. научн. труд. -Запорожье,. 1997. -С. 346-352.

Коломоец Г. П., Приходько А. В., Хрипко С. Л., Шухина И. Е. Вплив структури і механічних властивостей полікристалічного кремнію на короблення КСДІ// Вісник Чернігівського технологічного інституту: Збірник. -Чернігів, 1997. -№4. -С. 145-152.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л., Приходько А. В. Дослідження електричних параметрів фотоперетворювачів виготовлених на текстурованих поверхнях// The first international conference on material science of chalcogenide and diamond-structure semiconductors. New device applications (СMSCDSS-94). -Chernivtsi, 1994. -Vol. II. -С. 218.

Levinson D. I., Zholudev G. K., Khripko S. L. Investigating defects under aluminum films// Proceeding IX Russian Symposium on scanning electron and analytical methods of solids investigations. SEM characterization of semiconductor materials and structures (REM-95). -Chernogolovka, 1995. -С. 38-39.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л., Дослідження структури з прихованими ізолюючими шарами// Матеріали V Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок. -Івано-Франківськ, 1995. -С. 41.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л., Вплив складу ITO шарів на параметри фотоперетворювачів// Матеріали V Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок. - Івано-Франківськ, 1995. -С. 77.

Жолудев Г. К., Хрипко С. Л., Фоменко О. В. Исследование электрических характеристик БИС с применением пористого кремния// Тезисы докладов V Российской научной студенческой конференции. Физика твердого тела. -Томск, 1996. -С. 69-70.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Геттерирование в кремниевых пластинах пленочными покрытиями// Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния “Кремний-96”. - М., 1996. -С. 256.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Комбинированное геттерирование в кремниевых монокристаллических структурах// Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния “Кремний-96”. - М., 1996. -С. 257.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Структурное геттерирование в кремниевых монокристаллических структурах// Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния “Кремний-96”. - М., 1996. -С. 258.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Планарное геттерирование в кремниевых монокристаллических структурах// Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния “Кремний-96”. - М., 1996. -С. 259.

Левинзон Д. И., Жолудев Г. К., Хрипко С. Л. Лабораторная установка для получения пленок пористого кремния// Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния “Кремний-96”. - М., 1996. -С. 277.

Khripko S. L., Levinzon D. I., Zholudev G. K. Properties and application on film coatings in solar energy converters// Proceeding 4 International symposium on space means for power utilities (SPS-97). - Montreal, 1997. -Р. 131-133.

Хрипко С. Л. Структура і фізичні властивості кремнієвих композицій із розупорядкованими шарами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01. 04. 10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Запорізький державний університет, Запоріжжя, 1999.

У дисертації досліджено структуру і фізичні властивості кремнійових композицій і приладів із розупорядкованими шарами імплантованого і пористого кремнію. На широкому матеріалі із використанням джерел різнорідної часової приналежності у роботі розглянуті антивіддзеркалювані та гетеруючі властивості шарів імплантованого та пористого кремнію. Проведено комплексні дослідження структурних і фізичних властивостей композицій від умов їх формування. Проведено електрофізичні дослідження отриманих фотоелектричних перетворювачів і транзисторних структур.

Ключові слова: розупорядковані шари, композиція, пористий кремній, імплантований кремній, дефекти структури, вектор Бюргерса, фотоелектричний перетворювач, транзисторна структура.

Хрипко С. Л. Структура и физические свойства кремниевых композиций с разупорядоченными слоями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04. 10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Запорожский государственный университет, Запорожье, 1999.

В диссертации исследованы структура и физические свойства кремниевых композиций и приборов с разупорядоченными слоями, такими как слои имплантированного и пористого кремния. На обширном материале с использованием разновременных источников в работе рассмотрены антиотражающие и геттерирующие свойства слоев имплантированного и пористого кремния. Проведены комплексные исследования структурных и физических свойств композиций от условий их формирования. Проведены электрофизические исследования полученных фотоэлектрических преобразователей и транзисторных структур.

Ключевые слова: разупорядоченные слои, композиция, пористый кремний, имплантированный кремний, дефекты структуры, вектор Бюргерса, фотоэлектрический преобразователь, транзисторная структура.

Khripko S. L. The Structure and physical characteristics of silicon compositions with disordered layers. - Manuscript.

The Thesis on competition a teaching degrees of candidate of physico-mathematical sciences on professions 01. 04. 10 - physics of semiconductors and dielectrics. - Zaporozhye state university, Zaporozhye, 1999.

The results of disordered layers classification in semiconductors are presented. It is understood from published data, that the main methods of layers shaping is an anode etching and implantation by high energy ions.

It is presented the review of results of theoretical and experimental investigation of wide-zone semiconductor - isolator - narrow-zone semiconductor photoelectric converters shaping.

The advantage of using fine ITO-films at fabrication of photoelectric converters is shown. The specific role disordered layers as anti-reflecting covering (especially for porous silicon) is specified. The data of optical and electrophysical characteristics of porous silicon depending on used equipment and conditions of shaping are discussed. It is shown that in modern domestic research practical is missing the experience of photoelectric converters fabrication base on wide-zone semiconductor (ITO) - isolator - -porous silicon compositions.

List of methods of gettering defects is presented for active areas of crystal.

In etching process contents of hydrofluoric acid in solution change from 10% to 49%. The thickness of porous silicon layers was from 0, 5 - 14 m.

The porous silicon layers shaping was before epitaxial layer growth at anode current density 4 мА/cm².

The particularities of factor of absorption determination and reflection factor calculation, which was used in the work is presented.

The techniques of layers thickness, resistivity and surface resistance, spectral, current-voltage and capacitance-voltage characteristics measurement for photoelectric converters and study of porous silicon density are presented.

The study of disordered layers structure of silicon was carried by means of optical, electronic raster and x-raying microscopy.

Density of defects in active areas of transistor structure was measured by means of selective etching. The technique of electronic-microscopic study for defects of structure in laminated silicon compositions was presented.

The maximum amount of pores (4*10⁸ - 8*10⁹ sm^-2) corresponds to the diameter range 40-80.

The microdifractive pictures shows that samples with porous layer have the reflexes, which have charge of presence of amorphous phase.

The dependencies of In_xSn_yO film surface resistance from percent contents SnCl₄ (5H₂O) in solution were measured. It is stated that under small concentrations of tin in mixtures its atoms substitute the atoms an india in structure of film. However, when SnCl₄ (5H₂O) concentrations increase in the solution, contents of phase SnO₂ increases in composition of film In_xSn_yO, that cause reduction of free carriers concentrations and reduction of conduction.

The calculation of ITO layer reflection factor from thickness was carried out. The least size of reflection factor has covering with thickness from 500 to 800 within the range of waves lengths 0, 42-0, 61 m.

The forming of defects in nearsurface areas of silicon under ion implantation was explored. Their own sizes and site can change in process of lattice defects annealing. The nature of defects is basically defined by the type of ions, dose and energy of implantation, as well as thermal processing conditions.

Gettering characteristics of porous silicon, got before epitaxy was measured. The results show that porous silicon thickness increase leads to amorphous silicon thickness increasing and both polycristalline and amorphous phases formation.

When the density of porous silicon changes from 1, 92 g/sm³ to 1, 48 g/sm³, the epitaxial film defects density inheres in borders from 8. 0*10⁰sm^-2 to 1. 2*10⁷ sm^-2.

It notes that in interval of porous silicon density from 1, 54 g/sm³ to 1, 62 g/sm³ density of defects in epitaxial layer changes from 1, 1*10⁶ sm^-2 to 4, 0*10⁵ sm². In this interval density of defects in nearby areas an epitaxial film on n+-layer inheres in borders 8, 0*10⁰sm^-2 - 1, 1*10¹sm^-2.

Also was researched dependency of defect density from the operational procedure of fabrication of transistor compositions with different doses of implantations 2*10¹⁴-7*10¹⁵см^-2 ions of argon when forming multifunction gettering.

The defect density reduction 1, 45*10¹ sm^-2 exists if implantation dose is 7*10¹⁴ sm^-2. This enables control a quality transistor structure depending on implantation dose.

In work is shown that efficient control electrophysical parameters of transistor composition is possible also by making the gettering sewers both in volume epitaxial layer and on its surface in places of multilevel isolation shaping.

Key words: disordered layers, composition, porous silicon, implanted silicon, defects of structure, vector Burgers, photoelectric converter, transistor structure.

Размещено на Allbest.ru

...