Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
В разделе 2.3.2. обсуждаются работы (преимущественно экспериментальные) по изучению локальных особенностей структуры связей в сетках a-Si. Предметом рассмотрения являются: исследования координационных чисел и координационных расстояний методами рентгеиоструктурного анализа н изучения протяженной тонкой структуры рентгеновского края поглощения (ПТСРКП); исследования локальных особенностей структуры связей в a-SijfC, _х : Н методами инфракрасной (ИК) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) с использованием синхротронного излучения; исследование структуры связей в аморфном кремнии (a-Si: F) методом ИК-спектроскопии (основное внимание уделено колебательной моде 1015 см"1, природа которой остается спорной); влияние легирования на структуру связей; исследование химического состояния атомов инертных газов в полученном распылением a-Si методом РФЭС. Раздел 2.3.3 посвящен влиянию на структуру связей взаимодействия между ' достаточно удаленными один от другого атомами, т.е. эффектам взаимодействия распределенных по объему атомов. Здесь основное внимание уделяется: энергетическому сдвигу и ширине пиков ИК-спектров мк-Si; ИК-поглощенню, обусловленному колебательной модой, "напряженной" в результате беспорядка связи Si Si и/нли атомами фтора в a-Si.F; ИК-колебательной спектроскопии связей Si Si в a-Si: Н, колебаниям сетки a-Si^C, __х : Н и некоторым особенностям структуры микрокристаллического кремния. В заключительном разделе 2.3.4 даются краткие выводы.
4 - 537
49
2.3.2. Локальная структура
Большинство теоретических методов, позволивших успешно решать изложенные выше проблемы применительно к кристаллическим полупроводникам, оказываются неприменимыми к аморфным. Основная причина — отсутствие в аморфных полупроводниках трансляционной симметрии. Здесь надо начинать с исследования очень примитивных особенностей атомных структур, таких как локальная симметрия, координационные числа, химическая связь между ближайшими соседями и т.д. В некоторых случаях приходится устанавливать и химическую природу атомов, участвующих в связях.
Координационное число атомов Si в сетках a-Si:H
Авторы [100] исследовали атомную структуру a-Si:H, полученную плазменным осаждением. С помощью Фурье-преобразования дифракционных кривых были построены радиальные функции распределения для атомов Si, определены их первое координационное число (КЧ1) и первое координационное расстояние (R\). В работе [100] проведено также сравнение значений КЧ1 в пленках a-Si: Н, полученных методом разложения чистого силана в тлеющем разряде (TP-a-Si:H), и в a-Si:H, полученном методом реактивного распыления кремниевой мишени в газовой смеси Ar-H2 (PP-a-Si: Н), в зависимости от содержания в a-Si: Н
атомов водорода (рис. 2.3.1). Согласно [100], КЧ1 в TP-a-Si:H при увеличении Сн от 7 до 20% (ат.) уменьшается от 3,9+ ±0,1 до 3,7±0,1,в то время как КЧ1 в PP-a-Si:H при увеличении Сн от 0 до 20 % (ат.) снижается от 4,0 до 3,3±1. Первое координационное расстояние в обоих
о?
2,3 1,8
о'о а •р -» U yj\ ш -•
1,0
° 1*
Г Е„
J--1—_і і
Ю 15 20 С„,%
Рис. 2.3.1. Зависимость плотности (с!), первого координационного числа (КЧ1), первого координационного расстояния (/?;) и оптической ширины запрещенной зоны (?'„) от концентрации водорода в TP-a-Si.II (белые кружки) и РР-а-5г.Н (темные кружки) [ 100]
50
случаях остается неизменным. Эти результаты были получены в предположении пренебрежимой малости рассеивающей способности атомов водорода по сравнению с атомами кремния. С учетом результатов исследования ИК-спектров поглощения авторы [100] объяснили падение КЧ1 в ТР-а-51. Н до значения 3,7 Сн = 20% постепенным замещением связей Н связями 51—Н2. В РР-а-51: Н уменьшение КЧ1 до значения 3,4 при Сн = 20% замещением связей объяснить не удается. В качестве возможного объяснения авторы [100] выдвинули гипотезу о накоплении в РР-а-51: Н атомов Аг, которые связаны в сетке а-81 с пустотами. Тот факт, что рассеивающие способности атомов 54 и Аг различаются мало, а атомы Аг в пустотах имеют нулевое КЧ1, привел авторов [100] к корректной величине КЧ1 для атомов 51. Другими словами, атомы Аг, образуя пустоты, изменяют сетку РР-а-Б1: Н таким образом, что КЧ1 в такой сетке становится меньше значения для ТР-а-51 :Н.
Накопление в РР-а-51. Н атомов инертных газов, связанных с пустотами, было доказано Катайамой и др. с помощью метода РФЭС. Эти работы обсуждаются в настоящем разделе ниже.
Авторы [101] измеряли спектры ПТСРКП для смесей а^Се, _х : Н, полученных методом реактивного распыления. Пример спектральной кривой для а^д-Се! _х : Н вблизи К-края поглощения показан на рис. 2.3.2. Спектры ПТСРКП, полученные путем измерения зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от энергии фотона, показывают, что амплитуда и фаза поглощения изучения зависят от содержания в смеси Се. Анализ спектров ПТСРКП позволил также определить такие параметры, как координационные числа и координационные расстояния для атомов Се и 51 в зависимости от содержания в материале Се и Н. Эти результаты показывают, что атомы 81 и Се имеют тетраэдрическую координацию связей, причем ближний порядок в их взаимном расположении полностью отсутствует, т.е. заполнение двух соседних узлов атомами Се и 51 носит совершенно случайный характер. В добавлении к этому было показано, что длина связей Се-Се и 51-С в а-Бь^е! -х превышает длины соответствующих связей в кристалли-
