Гидрогенизированный аморфный кремний

Аморфные пленки кремния, германия и целого ряда других полупроводников были получены различными методами напыления достаточно давно, -однако не находили сколь либо се­рьезного практического применения из-за отсутствия реальных возможностей управления их электрическими свойствами. В отли­чие от аморфных металлов в аморфных полупроводниках (АП) нет плотной упаковки частиц. Они состоят из атомов, связанных ковалентными связями и образующих неупорядоченную откры­тую трехмерную сетку.

Полупроводники с аморфной структурой характеризуются не­изменными расстояниями между ближайшими атомами, совпа­дающими с наблюдаемыми длинами межатомных связей в крис­талле. Однако в расстояниях до атомов второй координационной сферы наблюдается значительный разброс, связанный с флукту­ацией валентных углов. Даже небольшие отклонения в межатом­ных расстояниях и углах между связями приводят к полной потере трансляционной симметрии на расстояниях в несколько коорди­национных сфер. Ближний порядок в расположении атомов опре­деляет фундаментальные свойства материалов. Отсутствие дальне­го порядка хотя и не исключает само существование энергетиче­ских зон, приводит, тем не менее, к существенному перераспре­делению в них разрешенных энергетических состояний.

Аморфный кремний, содержащий водород, называют гидрогенизированным и обозначают как α-Si:H. Процесс нейтрализации оборванных связей не может произойти с участием молекулярно­го водорода, поскольку для разрыва связей Н —Н требуется весь­ма значительная энергия. Поэтому реакция гидрогенизации про­водится в водородной плазме, содержащей много активного атомарного водорода.

Размер атомов водорода достаточно мал, и при повышенных температурах они легко диффундируют в объем амор­фной пленки, пассивируя оборванные связи на внутренних по­верхностях микрополостей и на точечных дефектах структуры. Бла­годаря водородной пассивации ненасыщенных связей резко умень­шается (примерно на три порядка) плотность локализованных со­стояний внутри щели подвижности. Характерное распределение плот­ности таких состояний в α-Si:H, полученном из газовой фазы в тле­ющем разряде, отражает кривая 2 на рис. 24. Как правило, нелеги­рованные пленки α-Si:H оказываются сильно компенсированными с концентрацией глубоких уровней в пределах 10²²... 10²³ м^-3. Ми­нимальная плотность локализованных состояний наблюдается при энергиях вблизи центра щели подвижности носителей заряда.

Легирование донорными и акцепторными примесями приводит к созданию дополнительных энергетических уровней в окрестности соответствующих зон. Наиболее часто в качестве легиру­ющих примесей используются бор, фос­фор и мышьяк.

Благодаря простой и воспроизводимой техноло­гии плазмохимического осаждения тонкие пленки α-Si:H находят массовое применение при создании недорогих фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Принцип действия таких приборов основан на разделении носителей заряда, генерируемых при поглощении фотонов, внутренним полем р—п -перехода. Со­держание водорода в слоях с хорошими фотоэлектрическими свойствами обычно составляет от 5 до 8 %. Ширина запрещенной зоны гидрированных аморфных пленок наилучшим образом соот­ветствует спектру солнечного излучения.

Контрольные вопросы

1. Назовите химические элементы, обладающие свойствами полупро­водников. Какие из них имеют наибольшее значение для электронной техники?

2. Какое сочетание физических и химических свойств обеспечивает кремнию лидирующее положение среди материалов электронной техни­ки?

3. Почему мелкие доноры и акцепторы в кремнии обладают более высокой энергией ионизации, чем в кристаллах германия? Как и почему изменяется подвижность носителей заряда в кремнии и германии при увеличении содержания легирующих примесей?

4. В связи с чем примеси, образующие глубокие уровни в Si и Ge, обладают меньшей растворимостью, чем простые доноры и акцепторы? Какая взаимосвязь существует между коэффициентами диффузии и ра­створимостью примесей в Si и Ge?

5. Что служит сырьем при получении полупроводниковых кремния и германия? Назовите основные технологические операции при получе­нии кремния полупроводниковой чистоты.

6. Какое явление лежит в основе кристаллизационной очистки полупро­водниковых материалов? Каким образом осуществляется кристаллизаци­онная очистка германия? Какой метод получил наиболее широкое распро­странение для выращивания крупных монокристаллов кремния и герма­ния?

7. В чем заключается принципиальное отличие зонной плавки крем­ния и германия?

8. Какие преимущества кремния обусловливают его применение в качестве базового материала ИМС?

9. Приведите примеры масштабного применения кремния в дискрет­ных приборах электроники. Почему предельные рабочие температуры у кремниевых приборов существенно выше, чем у германиевых аналогов?

10. Обоснуйте перспективность применения кремния для фотоэлект­рических преобразователей солнечной энергии. Какие другие полупровод­никовые материалы обеспечивают высокий КПД таких преобразователей?

11. Назовите основные политипы карбида кремния. Что понимается под степенью гексагональное политипа?

12. Какие свойства карбида кремния позволяют использовать его в приборах экстремальной электроники?

13. Какой тип химической связи характерен для полупроводниковых соединений типа A^mB^v? Какие закономерности в изменении свойств этих соединений вам известны? Какие из полупроводников типа A^OIB^V имеют прямую структуру энергетических зон?

14. Приведите примеры влияния изовалентных примесей на электри­ческие свойства соединений A^IUB^V. Поясните механизм этого влияния.

15. Каким образом осуществляются синтез и выращивание монокри­сталлов разлагающихся соединений типа A^IHB^V?

16. Назовите основные методы эпитаксии полупроводников Aⁿ'B^v и твердых растворов на их основе. Какие вещества используются в качестве исходных реагентов в каждом из этих методов?

17. Приведите примеры практического использования арсенида гал­лия в приборах электроники. В каких применениях необходимы прямая структура энергетических зон и высокая подвижность электронов, свой­ственные этому материалу?

18. Как изменяется ширина запрещенной зоны полупроводниковых твердых растворов в зависимости от состава?

19. В чем состоит принципиальное отличие зависимостей подвижно­сти носителей заряда от состава материала для полупроводниковых и металлических твердых растворов?

20. Приведите пример практического использования твердых раство­ров в инжекционных лазерах на основе двойных гетероструктур.

21. Что понимается под композиционными и легированными сверх­решетками? Каковы особенности их энергетического спектра? Какие ма­териалы используются для создания периодических полупроводниковых структур?

22. Изобразите энергетическую диаграмму сверхрешетки, сформиро­ванной на основе гетеропереходов 1-го типа. Объясните влияние шири­ны квантовых ям на положение подзон размерного квантования.