Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2.3.2. Спектр ПТСРКП a-Ge04 „Si05, в области энергий, близких к А-краю поглощения Gc 1101]; о - спектральная поглощательная способность
11,0 11,2 11,4 11,6 Е,кэ8
51
ческом твердом растворе Si^xCe* (k-S^ _xGex), что обусловлено, по-видимому, участием водорода в связях a-Sii-XGex : Н. Атомы водорода (КЧ1) приводят в этом случае к частичной релаксации создаваемых беспорядком напряжений в аморфных сетках.
Структура связей в a-SixCi ^х: Н
Проведено систематическое исследование свойств аморфного карбида кремния (a-SixC, _х : Н), полученного методом плазменного разложения силана, а также углеводородсодержащей газовой смеси (1-х) SiH4 +хСН4 и (1-х) SiH4 +0,5хС2Н4 [84, 102]. С помощью ИК-спект-роскопии изучались колебательные моды растяжения связи С Н (2800— 3000 см"1) и моды изгиба С-Нл (1200-1500 см"1). Установлено, что в материал, приготовленный разложением газовой смеси, содержащей этилен, углерод входит в виде группы С2Н5, а материал на основе метана содержит атомные группы метила (СН3). Отсюда авторы [84, 102] сделали вывод, что структура a-SixCi _,v : Н, полученного из метана, ближе по своим свойствам к идеальной, чем структура a-SixCi_x :Н из этилена, которая похожа на решетку органосилана. Проведенные в [84, 102] измерения показали, что легирование a-Si_xC i ___v : И (из метана) бором приводит к улучшению фотопроводящих свойств материала. Этот факт в свою очередь рождает новые проблемы теории структуры связей в сетках a-Si.
Авторы [103] наблюдали в спектрах РФЭС PP-a-SixCi Х:Н плаз-моны валентных электронов, представляющие собой сателлиты первых электронных оболочек. Концентрация валентных электронов в первом приближении оказывается связанной с энергией плазмона hcop уравнением hojp = (4пе2nv/m)1 2, где m — масса свободного электрона. С использованием этого выражения в работе [103] вычислена концентрация валентных электронов nv, которая при известных содержаниях в материале Si(.t) и Н(СН) может быть легко переведена в среднюю по объему суммарную атомную плотность /z<?? + + ин). На кривой зависимости атомной плотности a-Si_vCi_x:H от концентрации х обнаружены разрывы. При тех же значениях х обнаружены и разрывы на кривых концентрационных зависимостей оптической ширины запрещенной зоны, энергетического положения первых электронных оболочек и температуры экстракции водорода. Авторы [103] связывают наличие разрывов с качественным изменением структуры химической связи атомов углерода с сеткой матрицы.
Та же группа исследователей провела систематические исследования электронной структуры валентной зоны в a-SiVC t _ v :H Исследования проводили методом РФЭС in situ с использованием синхро-тронного изучения с энергией фотонов 30—130 эВ. Преимущества такой методики заключаются в том, что сечения фотоионизации каждой атомной орбитали существенным образом зависят от энергии падающих фотонов, что дает возможность исследовать особые точки электронной структуры.
52
Примеры типичных для а-81лС!_х:Н зависимостей фотоэлектронных спектров от состава л- показаны на рис. 2.3.3. Анализ этих спектров позволил установить, что склон кривых а и пики Ь и с на рис. 2.3.3 соответствуют электронным оболочкам 51-Зр, Н-1х и взаимодействию оболочек Н-15 и 51-Зу соответственно. Как было показано ранее [104], этот пик совпадает по энергиям с пиком, соответствующим оболочке Н-1х. Однако по сравнению с водородообусловленным пиком Ъ максимум с от энергии практически не зависит. Более того, как мож-
Рис. 2.3.4. Изменение фотоэлектронных спектров a-Si':H (hv - 35 эВ) с повышением температуры in situ термообработки:
1 - состояние после выращивания; 2-5 мин при 300 °С; 3 - 5 мин при 400 °С I 103 ]
b
с \
ч= 2
3 _j_t__i—
20 ю о
Энергия связи, зв
53
но видеть на рис. 2.3.4, по мере экстракции из материала водорода максимум с сдвигается по энергиям в направлении положения пика Si-3s, наблюдаемого методом РФЭС в аморфном и кристаллическом кремнии [105]. Следовательно, пик с обусловлен сильным взаимодействием H-ls и Si-3s оболочек. Характерной чертой спектров является то, что с увеличением содержания в материале углерода пик с сдвигается в направлении энергии потолка валентной зоны и в итоге сливается с пиком f (см. рис. 2.3.3), который связывается с электронами С-2рорбитали. Это означает, что взаимодействие Si-3s-*H-ls существенно зависит от оболочек С-2р.
Интересной особенностью спектров РФЭС является также расщепление пика h, отвечающего ионизации оболочки C-2s на два пика d и е. Этот эффект объясняется, по-видимому, специфическими особенностями химической связи атомов С в сетке a-SixCi _х . Н.
Структура связей в областях сетки, содержащей свободные связи
Известно, что фторизация аморфного кремния и получение смесей a-Si; F, a-Si: F : Н [90-92] приводит к повышению химической и термической стабильности a-Si и росту влияния легирования на свойства аморфного кремния. Исследование этих явлений с помощью методов ИК-спектроскопии [92-104], обратного резерфордовского рассеяния [106-107], анализа экстрагированных из a-Si газов [107-108] и РФЭС [106, 109] на сегодняшний день дает достаточно точную картину химической связи атомов фтора с сеткой матрицы a-Si. Однако замечено [ПО] некоторое несоответствие в идентификации природы пика ИК поглощения вблизи 1015 см-' как пика, обусловленного колебательной модой растяжения связи Si-F. Результаты идентификации природы различных максимумов в ИК-спектрах в ряде работ сведены в табл. 2.3.1. Авторы [92] считают, что пик поглощения 1015 см-1
