Автор: Й. Хамакава

Перевод с английского: Й. Хамакава, А.Н. Морозов, Ю.С. Сафонов, В.А. Исаакян

Издательство: Металлургия

Год: 1986

Страниц: 376

Формат: DJVU

Качество: хорошее

 

Рассмотрены структура и классификация аморфных полупроводников, их электронное строение, структурные дефекты и примеси, оптические и электрические свойства, оптически стимулированные явления в халькогенидных стеклах. Приведены данные о выращивании и свойствах аморфных гидридов кремния. Показаны области применения аморфных полупроводников.

Для научных работников и специалистов металлургической, машиностроительной, авиационной, судостроительной промышленности, занимающихся вопросами материаловедения, полупроводниковой и электронной техники.

 

Большой интерес, проявляемый в последние годы к аморфным полупроводникам в странах с развитой полупроводниковой техникой, был инициирован экономическими соображениями. Опыт использования полупроводникового кремния в космических аппаратах для фотопреобразования солнечной энергии в электрическую показал целесообразность его применения в большой энергетике, однако при непременном условии существенного удешевления кремния даже за счет некоторого снижения к.п.д. преобразователей.

Исследования, ведущиеся в мире последние годы, показали, что этим требованиям лучше всего удовлетворяют аморфные сплавы на основе прежде всего кремния, а также других полупроводниковых материалов. Результаты этих исследований по данным на конец 1978 г. отражены в сборнике обзорных статей "Аморфные полупроводники", изданном под редакцией известного специалиста в этой области М.Бродс-ки (на русском языке книга выпущена в 1982 г. издательством "Мир"). Эти исследования способствовали выяснению многих особенностей физики электронных явлений в аморфных полупроводниках.

Настоящая книга представляет собой сборник статей японских ученых, изданный в 19.83 г. под редакцией профессора Университета г. Осака Й.Хамакавы, видного специалиста в области физики полупроводников, оптоэлектроники, аморфных полупроводников и приборов на их основе. Авторами отдельных статей являются специалисты, активно работающие в направлениях, которым посвящены эти статьи.

В книге приводятся результаты, полученные за период 1979—1983 гг., однако от упомянутого сборника под редакцией М.Бродски ее отличает не только зто. Наряду с некоторыми новыми данными по фундаментальным вопросам теории электронных явлений в аморфных полупроводниках и по современным методам их изучения значительно шире представлен круг аморфных полупроводниковых материалов как по составу, так и по структурному состоянию. При этом аналивируются особенности и возможные области применения каждого из них. Интересны данные об особенностях и перспективах использования гидроге-низированного микрокристаллического кремния мк-Si: Н, а также поликристаллического кремния.

Книгу отличает также то, что в ней рассмотрены, хотя и только в общих чертах, некоторые вопросы технологии получения аморфных полупроводниковых материалов, а также приборов на их основе, анализируются возможные пути повышения к.п.д. преобразователей солнечной энергии. Подробнее рассмотрены и такие перспективные области применения аморфных полупроводников, как полевые транзисторы, высокоскоростные диоды с малыми потерями, оптоэлектронные устройства (фотодатчики, устройства для формирования изображения, оптические модуляторы ЗУ большого объема, малогабаритные высокоскоростные копировальные устройства и др.).

Все это делает, по-нашему мнению, настоящую книгу интересной для советских специалистов, работающих в этом новом и весьма перспективном направлении полупроводниковой электроники.

При переводе и редактировании книги было сочтено целесообразным сократить некоторые повторы в тексте и в ссылках на литературные источники, опустить отдельные рисунки, не дающие существенной информации, а также некоторые сведения рекламного характера.

Кратко содержание книги сводится к следующему:

В гл. 1 дан краткий исторический обзор исследований, выполненных в Японии в области аморфных полупроводников и приборов на их основе. Гл. 2 содержит статьи, посвященные вопросам физики электронных явлений в аморфных полупроводниках. Дан краткий обзор теории электронных свойств аморфных полупроводников с тетраэд-рическими координациями связей, описаны качественные особенности спектров межзонного поглощения и родственных явлений в аморфных полупроводниках. Основное внимание уделено решеточной релаксации правилам ^отбора, хвостам Урбаха, межзонным корреляциям флуктуации потенциала и фотостимулированным изменениям структуры. Приведен обзор исследований структуры связей в аморфном кремнии a-Si и родственных материалах. Результаты этих исследований проливают свет на локальные особенности структуры сеток a-Si, такие как координационное число атомов в a-Si:H, a-SixGe! _х: Н, атомная структура a-SixCi-x:H, a- Si:F, структурные позиции накопленных в a-Si:H атомов инертных газов. Обсуждаются также попытки создания теории влияния взаимодействия отдаленных один от другого атомов на структуру связей в аморфных полупроводниках. В последней статье описываются явления переноса в аморфном гидрогенизированном кремнии. Показано, что перенос носителей заряда в a-Si: Н имеет дисперсионный характер. Подчеркивается, что теоретический анализ переноса электронов в пленках a-Si: Н необходимо проводить с учетом влияния флуктуации состава и структурного порядка.
Существенный интерес представляет гл. 3, посвященная теории и применению современных методов исследования аморфных полупроводников. Анализируются информативные возможности таких методов, как электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонансы, оптически детектируемый магнитный резонанс, фотоакустическая спектроскопия, изотермическая нестационарная емкостная спектроскопия, метод исследования фотопроводимости с помощью видикона и пико-секундная спектроскопия. Особое внимание уделяется связи между дефектами структуры и атомами водорода и фтора. Методы магнитного резонанса позволяют получить интересную информацию относительно природы дефектов и механизма введения атомов Н и F, выявить рекомбинационные центры и процессы, участвующие в люминесценции a-Si: Н. Метод фотоакустической спектроскопии позволяет определить абсолютное значение коэффициента поглощения тонких пленок при энергиях, меньших ширины запрещенной зоны, без знания тепловых параметров пленки. С помощью изотермической нестационарной емкостной спектроскопии впервые определены энергетические и температурные зависимости сечений захвата электронов состояниями в запрещенной зоне a-S*i: Н. Изучение фотопроводимости методом видикона позволяет оценить основные параметры, влияющие на фотопроводимость: эффективность генерации носителей, пробег носителей, дрейфовую скорость. С помощью этого метода можно также эффективно определять и изучать распределение состояний в запрещенной зоне a-Si: Н.Наконец, метод пикосекундной нестационарной дифракционной спектроскопии внес определенную ясность в динамику возбужденных носителей в аморфных полупроводниках, в частности для процесса фото потемнения халькогенидного стекла As2S3, а также оптически освещенного a-Si: Н, полученного в тлеющем разряде.

Описанию новых сплавов на основе кремния, получаемых в тлеющем разряде, посвящена гл. 4. В ней обсуждаются электрические и оптические свойства пленок гидрогениэированных аморфных кремний-германиевых сплавов (a-Si,_xGex : Н) в связи с их применением в технологии солнечных элементов, светодатчиков. и тонкогшеночных транзисторов. Введение германия в пленки a-Si : Н позволяет управлять шириной запрещенной зоны этого материала. Описаны эксперименты по управлению типом проводимости a-Si!_XCX: Н. Показано, что в пленках a-Si^Cj _Х:Н, полученных иэ метана, также как и в пленках a-Si : Н, можно создать, необходимую концентрацию носителей заряда определенного типа и ис-' пользовать этот материал в качестве прозрачного р-слоя в р-/-и-струк-турных солнечных элементах на основе a-Si. Здесь же дан обзор достижений в области получения и приборного применения микрокристаллического гидрогенизированного кремния (мк-Si: Н). Описаны различные методы получения мк-Si : Н и подход к выбору оптимальных условий. Основное внимание уделено методу разложения в тлеющем разряде разбавленной силановой газовой смеси. Показано, что общей тенденцией изменения структуры пленок Si: Н, полученных разложением разбавленных газовых смесей на основе SiH4 в мощном высокочастотном тлеющем разряде, является их кристаллизация. Эта тенденция усиливается при осаждении легированных пленок. На основе данных о высокой эффективности преобразования энергии в солнечных элементах, содержащих «+-слой из мк-Si : Н, показаны возможности мк-Si : Н как нового перспективного материала электронного приборостроения. В заключительной статье гл. 4 описаны свойства пленок аморфных трех-компонентных сплавов SixN1:_x:H, полученных методом тлеющего разряда из газовой смеси SiH4 + NH3 + Н2. Показана возможность управления в a-SixNi^x : Н типом и концентрацией носителей заряда.

Гл. 5 посвящена солнечным элементам на основе аморфного кремния, результатам теоретического анализа их работы и конкретным разработкам некоторых видов преобразователей солнечной энергии. Рассматриваются вопросы оптимизации характеристик и предельных значений к.п.д. солнечных элементов на основе аморфного кремния с p-i-n-переходом, а также на основе гетеропереходов с использованием ряда новых аморфных сплавов (Sii„xCx, Sii_xNx и т.д.) или поликристаллических полупроводниковых материалов. Обосновывается роль качества тонких аморфных полупроводниковых пленок. Как для силовой промышленной энергетики, так и для бытовых нужд перспективно создание модульных структур. Анализируются причины снижения к.п.д. элементов. Показано, что оно обусловлено, главным образом, сопротивлением лицевого контакта. Интересными и перспективными являются разработки, посвященные новым аморфным полупроводниковым сплавам с регулируемой шириной запрещенной зоны. Интерес представляют исследования влияния материала подложки (нержавеющей стали, полиамидной пленки и т.д.) и морфологических особенностей ее поверхности на стабильность и уровень эксплуатационных параметров.

Все расширяющимся перспективам применения аморфного, поликристаллического кремния посвящена гл. 6, в которой рассмотрены экспериментальные достижения и теоретические разработки в области создания тонкопленочных полевых транзисторов на период до 1983 г. Наблюдаемые характеристики транзисторов на основе аморфного кремния качественно объясняются теорией, которая рассматривает непрерывное распределение состояний в запрещенной зоне аморфного кремния. Показано, что тонкопленочные транзисторы на основе как аморфного, так и поликристаллического кремния могут с успехом использоваться в плоскопанельных дисплеях большой площади. В гл. 6 описана также разработка тройного аморфного сплава Si-Ge-B с проводимостью, превышающей проводимость легированного аморфного' кремния. Малая высота барьеров для дырок в контакте аморфный сплав/кремний позволяет успешно использовать его для создания высокочастотных диодов, с малыми потерями.

В последней гл.7 рассматриваются перспективы применения аморфных полупроводников в оптоэлектро.:ных устройствах. Приведен обзор разработок, выполненных в Японии к 1983 г. в области фотодатчиков, устройств, формирующих изображение, оптических модуляторов и оптических элементов интегральных схем, оптических запоминающих устройств большой емкости и различных фотоприемников, применяющихся в электрофотографии, для создания дешевых малогабаритных высокоскоростных копировальных устройств, а также "мыслящих" устройств, сочетающих a-Si-фотоприемник с полупроводниковым ин-жекционным лазером и микрокомпьютером. Приведены характеристики этих устройств и показана экономическая целесообразность их внедрения в массовое производство, а также описаны их преимущества и некоторые принципиально новые возможности, открывающиеся благодаря использованию в них аморфных материалов. Так, например, фотооптический переключатель на основе тонкопленочного As2S3-волновода обладает функцией памяти. Подчеркивается, что дальнейшее усовершенствование технологии создания этих устройств откроет им в ближайшее время дорогу в массовое производство.

Отличительной особенностью статей, посвященных конкретным вопросам технологии, является то, что их изложению предшествует краткое введение, содержащее описание основных физических представлений, существенных для данного вопроса.

Перевод книги выполнен канд. физ.-мат. наук А.Н.Морозовым (предисловие и гл. 1, 2, 4), канд. техн. наук Ю.С.Сафоновым (гл. 5, 6) и инж. В.А.Исаакяном (гл. 3, 7).-
С.С.Горелик 

 

Цель настоящей книги — обзор состояния технологии и применения аморфных полупроводников в Японии на период до 1983 г. Необходимо отметить, что в области фундаментальной физики и технологии аморфных полупроводников, в особенности полупроводников с тетраэдри-ческой координацией связи, наблюдается заметный прогресс. Этому способствовали исследовательская программа "Физика и технология аморфных материалов", финансируемая начиная с февраля 1980 г. Министерством просвещения Японии, а также государственная программа по солнечной энергетике, рассчитанная на пятилетний период, начиная с февраля 1979 г.
Действительно, на проходивших в 1982 г. сессиях Японского общества прикладной физики по аморфным полупроводникам было заслушано 140 докладов, причем годовой прирост их числа с 1981 г. составил 140%.

Примерно такой же стремительный рост отмечается и в отношении солнечш батарей на аморфном кремнии. Он достигнут благодаря успехам в повышении качества тонких пленок, совершенствованию структуры р-«-переходов и разработке новых материалов. Промышленность Японии ежегодно увеличивает выпуск солнечных батарей более чем вдвое. Так в 1981 г. ежемесячный выпуск настольно-карманных калькуляторов на солнечных элементах составлял 1 млн. штук, а, например, в октябре 1982 г. их выпуск достигал уже 2,5 млн.

Предлагаемая читателю книга представляет собой второй выпуск, посвященный аморфным полупроводникам в серии "Японские ежегодные обзоры по электронике, вычислительной технике и телесвязи". Особое внимание в ней уделяется тетраздрически координированным аморфных полупроводникам, исследование которых в последние годы велись особенно интенсивно.

От имени редакционной коллегии я выражаю искреннюю надежду, что предлагаемая книга будет полезна всем научным работникам и инженерам, занимающимся аморфными полупроводниками. Я также надеюсь, что этот выпуск будет способствовать дальнейшему развитию и прогрессу сравнительно недавно возникших областей физики и областей применения аморфных полупроводников.