Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Интересным фактом является также то, что влияние локального атомного окружения на атомы инертных газов в a-Si проявляется только в Оже-спектрах, где в качестве конечного состояния Оже-перехода выступают две дырки. Чувствительная к локальному химическому окружению часть энергии Оже-перехода представляет собой энергию поляризации "решетки". Согласно [117], величина этой энергии составляет несколько
\
-Ц;<> -гь.л-
1 'x s -\-f^ " в
Рис. 2.3.6. Схематическое изображение возможных позиций атомов Ne в структуре a-Si |117]:
а - ближайшее окружение атомами Si:б- окружение несколькими атомами Н; в - скопление атомов Ne в микропоре
электрон вольт. Значение последней уменьшается при снижении поляризуемости локального атомного окружения. Катайама и др. [117] предложили для атомов N6 три возможных структурных позиции (рис. 2.3.6). Атомная конфигурация, в которой атом Ые окружен атомами Б*, обладает большей поляризуемостью и отвечает наибольшему пику А. Пик С соответствует атомам N6 в микропоре; поляризуемость такой атомной конфигурации должна мало отличаться от нуля. Наконец пик В отвечает атому N6, окруженному атомами Н. По величине поляризуемости последняя конфигурация занимает промежуточное положение, так как поляризуемость атомов водорода меньше, чем атомов но больше, чем поляризуемость в условиях вакуума.
2.3.3. Влияние на структуру связей взаимодействия отдаленных атомов
Большинство электронных свойств аморфных полупроводников определяется не только особенностями локальной атомной структуры, но и взаимодействием достаточно удаленных один от другого атомов. Для исследования эффектов дальних взаимодействий применялись мно-
57
гочисленные экспериментальные методы: ИК-спектроскопия поглощения, комбинационное рассеяние ИК-света и т.д. Однако в аморфных полупроводниках отсутствует трансляционная симметрия, а потому от понимания этого вопроса мы все еще далеки.
Влияние взаимодействия отдаленных атомов на энергетический сдвиг и ширину полос ИК-поглощения
Энергетический сдвиг полос ИК-поглощения, обусловленный наличием в a-Si атомных конфигураций различного окружения, описан Лу-ковским в терминах так называемого отношения стабильности электроотрицательности, введенного Сандерсоном. Понятие было введено для удобства описания эффектов взаимодействия отдаленных атомов или отдельных атомных групп. Многочисленные исследования ИК-спектров поглощения показывают, что величина энергетического сдвига, обусловленного дальним взаимодействием пропорциональна сандерсоновс-кой сумме злектроотрицательностей, вычисленной в тс 1ке расположения поглощающего осциллятора. Такой подход в свою очередь облегчает идентификацию осциллирующих атомных групп и их окружения по ИК-спектрам поглощения.
С этой целью авторы [98, 118] измеряли ИК-спектры поглощения пленок микрокристаллического кремния (мк-Si), полученных методом реактивного распыления (РР). По сравнению с PP-a-Si: Н все полосы поглощения стали гораздо уже. Это свидетельствует о том, что атомное окружение групп Si—Ни в мк-Si имеет относительно простые конфигурации. Сильное взаимодействие дальних соседей привело бы к обратному эффекту —к уширению линий. Более того, как видно из рис.
1000
500
-500
2200 2000 1000 800 волнобое число, см
600
Рис. 2.3.7. ИК-спектр поглощения mk-Si:H (2,4 В/см2 в атмосфере Н2; 93 Па; Ts ¦ = 50°С [ 118]:
1 - состояние после выращивания; 2 - после отжига при 300 °С 58
2.3.7, сужение пиков позволило выявить их тонкую структуру. Авторы [98, 118] предположили, что атомы Н в мк-Si располагаются вдоль границ зерен. Возможные варианты атомной структуры границ зерен в мк-Si сведены в табл. 2.3.2. В работах [98, 118] вычислены частоты колебаний атомных фрагментов Si Н„ (для различных и), которые хорошо согласуются с экспериментальными значениями, определенными из ИК-спектров поглощения.
В случайной сетке аморфного кремния a-Si:H флуктуации значений сумм злектроотрицательностей, обусловленные флуктуациями длин и углов связей, приводят к уширению полос поглощения, что существенно затрудняет получение информации о структуре связей в a-Si.
Таблица 2.3.2. Частоты колебаний связей Si-H
в различных атомных конфигурациях mk-Si:H [ 118]
Частота колебаний, см'
Конфигурация___i___
растяжения изгиба качания
Изолированная 632
связь-Si-H, 2089
618
Кольцо (-Si-H2)„ ^JjM 665
Ветвь—Si=H3 i!?7.*1 912 665
931 700
2117**1 2140 1
Изолированная связь ^8 (904) 700
-Si=H3
О Si* • Н , -WV - осциллятор. ** Расчет.
59
ИК-спектры поглощения, обусловленные связью Si-Si
В кристаллическом кремнии ИК-спектры поглощения нечувствительны к колебаниям связи Si-Si. В аморфном кремнии эта закономерность выполняется не всегда и, как следствие, ИК-спектры поглощения могут быть использованы для исследования непосредственно сетки связей Si-Si.
Авторы [92], например, обратили внимание на слишком большую ширину полос поглощения в интервале обратных длин волн 515 и 650 см-1, показанной на рис. 2.3.8. Полоса поглощения вблизи 500 см-1 не наблюдается в спектрах молекул SiF4 и SiF2H2, но появляется в спектрах молекул Si2F6 и Si3F8, в которых присутствует связь Si-Si. По своему энергетическому положению полоса поглощения 500 см-1 соответствует энергии оптического фотона в Г-точке симметрии кристалла и, следовательно, не влияет на ИК-спектр поглощения. С увеличением в a-Si:F содержания фтора полоса 515 см-1 становится резче и интенсивнее. В работе [92] предположили, что ИК-спектр поглощения становится чувствительным к колебаниям собственных атомов в результате поляризации связей Si Si, вызванной окружающими атомами фтора. В случае a-Si : H пик поглощения 515 см"1 становится слабым и широким. Разница заключается, по-видимому, в большей по сравнению с H величине электроотрицательности фтора. Из этого факта, в частности, следует, что использовать фтор в качестве пассиваторов свободных связей не целесообразно из-за слишком большой величины его электроотрицательности.
