Получение и исследование свойств наноразмерных пленочных структур на основе аморфного кремния и его соединений

Актуальность темы

Современный научно-технический прогресс в значительной степени определяется развитием электроники, основой которой являются успехи фундаментальных наук, в первую очередь физики твердого тела и физики полупроводников. Последние достижения в этих областях связаны с физикой низкоразмерных структур [1]. На сегодняшний день физика низкоразмерных структур — актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область современной физики твердого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для оптои наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. [2].

В последнее время интенсивно развиваются технологии создания композитных материалов. Одним из основных ее достоинств является возможность использования принципиально новых подходов в создании искусственных сред — наноматериалов. Эти материалы проявляют уникальные свойства, существенно отличающиеся от свойств вещества в макроскопическом (объемном) состоянии. Особое место занимают материалы, содержащие наноразмерные частицы металлов и полупроводников — «квантовые точки» [3, 4, 5]. В этих образованиях, в отличие от массивных материалов, отсутствует широкая зонная структура и имеется структура минизон или набор дискретных электронных уровней. Дискретный спектр энергетических состояний наноструктур позволяет относить их к искусственным аналогам атомов, несмотря на то, что кластеры содержат большое число частиц. Изменяя размеры квантовых точек, их форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно получать аналоги многих природных элементов [6].

Особый интерес представляют системы в виде нанообъектов, заключенных в полупроводниковые матрицы. Наиболее многообещающим методом > формирования упорядоченных массивов КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях.

Движущей силой, вызывающей образование массива однородных напряженных островков на кристаллической поверхности, является релаксация упругих напряжений на краях граней и взаимодействие островков посредством напряжений, создаваемых ими в подложке [7, 8]. Релаксация на краях ступеней или граней может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ в случаях роста как согласованных, так и рассогласованных по параметру решетки материалов [9]. Спонтанное формирование на кристаллических поверхностях различных упорядоченных структур, имеющих периодичность, намного большую параметра решетки является предметом интенсивных теоретических исследований. К другому классу самоорганизованных структур, подходящих для изготовления КТ, относят упорядоченные массивы сильно напряженных «островков» монослойной высоты, спонтанно образующихся в процессе суб-монослойного осаждения одного материала на другой, сильно рассогласованный с ним по параметру кристаллической решетки [10]. К сожалению, на сегодняшний день совершенно не изучены механизмы образования наноразмерных объектов на аморфных поверхностях.

Особые надежды возлагаются на аморфные гетероструктуры, на основе которых возможна реализация фотоэлектрических устройств, в частности элементов солнечной энергетики [11]. Неоспоримым преимуществом аморфных полупроводников является простота их получения и более дешевая технология, в совокупности с более широкой материальной базой и большими площадями нанесения [12]. Особое место среди аморфных материалов занимает аморфный гидрированный кремний и его соединения, прежде всего благодаря, все более широкому применению его в полупроводниковой электронике и солнечной энергетике [13].

Цель работы. Разработка методики получения с использованием СВЧ плазмы газового разряда низкого давления наноразмерных пленочных структур на основе аморфного кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

Основные задачи исследования:

1. Определение параметров технологического процесса, обеспечивающих наибольшую производительность и равномерность СВЧ плазменной обработки.

2. Получение кремниевых нанокластеров и исследование механизмов их образования на аморфных поверхностях с различной энергией связи на межфазной границе.

3. Получение полупроводниковых аморфных пленок кремния и его соединений и исследование их электрофизических свойств.

4. Получение и исследование слоистых структур на основе соединений аморфного кремния и нанокластеров кремния.

Методы исследования. Эксперименты по осаждению нанокластеров и тонких пленок кремния проводились на установке СВЧ вакуумно-плазменного осаждения. Измерение распределения индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона от окна ввода СВЧ энергии до каждого положения подложкодер-жателя осуществлялось с использованием прибора Ш1−8. Для определения размеров и поверхностной плотности нанокластеров применялся атомно-силовой микроскоп Р4−8РМ-МБТ. Толщина и показатель преломления полученных пленок измерялись на лазерном эллипсометрическом микроскопе ЛЭМ-2М. Для измерения оптических спектров поглощения и отражения использовался двухлучевой спектроанализатор, собранный на базе монохроматора МДР-23 и интегрирующей оптической сферы в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм. Структура полученных пленок определялась с помощью рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-4. Измерение спектральной зависимости фототока проводилось на спектрофотометре СФ-26.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности влияния неоднородного внешнего магнитного поля, СВЧ мощности и расстояния между окном ввода СВЧ энергии и обрабатываемой пластиной на равномерность и производительность плазменной обработки. Полученные экспериментальные результаты и закономерности обоснованы в рамках решения диффузионного уравнения Фоккера-Планка с заданными граничными условиями.

2. Определены закономерности образования наноразмерных кластеров кремния в плазме СВЧ газового разряда на некристаллических подложках с различной энергией взаимодействия на межфазной границе. Предложена модель формирования нанокластеров из СВЧ плазмы газового разряда низкого давления на реальных поверхностях в условиях интенсивной низкоэнергетич-ной ионной бомбардировки.

3. Установлены закономерное&tradeвлияния параметров процесса синтеза в вы-сокоионизованной плазме СВЧ газового разряда на оптическую ширину запрещенной зоны и характер спектральных зависимостей фототока в наноразмерных пленках аморфного гидрогенизированного кремния. Показано, что изменение оптической ширины запрещенной зоны гидрогенизированного кремния в зависимости от условий синтеза в СВЧ плазме может достигать 50%, что в 4−5 раз больше, чем ее изменение, которое наблюдалось при использовании других методов синтеза.

4. Определены характер и критичность влияния химического состава плазмы и параметров режима осаждения в высокоионизованной СВЧ плазме низкого давления на оптические свойства и ширину запрещенной зоны аморфных пленок карбида и нитрида кремния различного стехиометрического состава. Установлено, что для нитрида кремния, в отличие от карбида кремния, зависимость ширины запрещенной зоны от температуры и электрического смещения тем слабее, чем меньше содержание азота в твердом растворе нитрида кремния.

5. Установлены различия в механизмах переноса носителей заряда и особенностях пропускания света в однородных и слоистых с нанокластерами кремния пленочных структурах на основе карбида кремния. Показано, что в однородных структурах карбида кремния перенос носителей осуществляется по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, а в слоистых структурах с нанокластерами кремния, как по механизму токов, ограниченных пространственным зарядом, так и по механизму туннельного переноса носителей между электронными уровнями нанокристаллических кремниевых включений и зоной проводимости карбида кремния при приложении электрических полей порядка 10 В/мкм.

Практическая ценность работы:

1. Определены закономерности влияния технологических параметров режима СВЧ плазменной обработки в неоднородном магнитном поле на ее равномерность и производительность. Показано, что равномерность СВЧ плазменной обработки в диапазоне магнитных полей от 530 до 900 Гсхм не зависит от расположения подложки относительно окна ввода СВЧ энергии и величины мощности СВЧ излучения.

2. Разработаны методики синтеза пленок аморфного гидрогенизированного кремния с управляемой шириной запрещенной зоны, изменяющейся в интервале от 0,9 до 2,1 эВ в зависимости от условий осаждения.

3. Разработаны методики синтеза и управления размерами кремниевых на-нокластеров в диапазоне от 1,5 до 4 нм и поверхностной концентрацией до от 5'108 до 7*108см" 2 на некристаллических подложках с различной энергией связи на границе раздела.

4. Разработаны методики синтеза наноразмерных пленок аморфного гидрогенизированного карбида и нитрида кремния с заданной в пределах их индивидуальных особенностей шириной запрещенной зоны, обеспеченной как изменением их стехиометрического состава, так и путем изменения параметров технологического процесса.

5. Разработана методика получения слоистых наноразмерных пленочных структур на основе аморфного карбида кремния с внедренными слоями кремниевых наноразмерных кластеров.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В установке СВЧ плазменной обработки существует диапазон магнитных полей и расстояний между подложкой и окном ввода СВЧ энергии, в котором обеспечиваются устойчивый режим генерации плазмы, наибольшая производительность и равномерность плазменной обработки, определяемые параметром интегральной магнитной индукции.

2. Согласно экспериментальным результатам, формирование наноразмер-ных кластеров кремния с минимальным размером 1,5.4нм и концентрацией о 8 2 от 5*10 до 7* 10 см" на подложках со слабой энергией взаимодействия на межфазной границе может быть осуществлено с использованием СВЧ плазмы низкого давления при степени ее ионизации не менее 5−7%.

3. Изменение знака и величины ускоряющего потенциала на подложкодер-жателе, а также температуры подложки при получении пленок аморфного гид-рогенизированного кремния в СВЧ плазме приводит к изменению содержания в них водорода, что влечет изменение ширины запрещенной зоны и показателя преломления. Изменение ширины запрещенной зоны может достигать 50%, а показатель преломления с ростом температуры подложки увеличивается на 810%.

4. Увеличение доли содержания кремния в пленках аморфного нитрида и карбида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, при этом рост температуры осаждения не оказывает влияния на ширину запрещенной зоны пленок карбида кремния, а для пленок нитрида кремния приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны на 5−8%. Пленки нитрида кремния с 20% содержанием кремния, полученные при отрицательном потенциале, имеют большую ширину запрещенной зоны, чем пленки того же состава, полученные при положительном ускоряющем потенциале.

5. Модифицирование аморфной пленочной структуры на основе карбида кремния путем введения в нее наноразмерных кластеров кремния приводит к появлению туннельного эффекта в механизме токопрохождения, кроме того, наличие в структуре нанокластеров кремния смещает максимум оптического поглощения в более коротковолновую область спектра, а значение оптического поглощения на 50% выше, чем для структур без кластеров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного, приборостроения» (Россия, Саратов, 2004, 2006) — Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники» (Россия, Таганрог, 2004, 2006) — конференциях молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Россия, Саратов, 2006, 2007) — Первой Всероссийской школе-семинаре «Современные достижения бионаноскопии» (Россия, Москва, 2007), конкурсе молодых ученых им. И. В. Анисимкина (Россия, Москва, 2006), а также на научных семинарах Саратовского филиала Института радиотехники и электроники РАН.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 5 публикациях в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ, и 6 публикациях в материалах конференций. Результаты работы отражены в отчетах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований изложена на 141 странице, содержит 58 рисунков.

Результаты работы могут быть использованы при разработке технологических процессов создания тонкопленочных полупроводниковых структур, для применения в производстве солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при разработке процессов получения наноразмерных структур, перспективных для применения в аморфных сверхрешетках.

Заключение

.