В аморфном кремнии, так же как и в соответствующем кристалле, структурными единицами являются тетраэдры. Однако упаковка тетраэдров в аморфной и кристаллической фазах различается, что приводит к потере дальнего порядка в аморфной фазе. Исходя из этого, был создан ряд моделей атомной структуры аморфного кремния (микрокристаллитная, аморфных кластеров, непрерывной периодической сетки).
В настоящее время для описания атомной структуры неупорядоченных тетраэдрических полупроводников, как правило, используют модель непериодической непрерывной сетки, которая допускает существование, наряду с шестичленными, пятичленных и семичленных колец.
Следует отметить, что непрерывные непериодические сетки представляют собой модели идеализированной атомной структуры тетраэдрических полупроводников, поскольку при построении этих моделей не допускается существование оборванных связей. В действительности жесткая трехмерная сетка содержит значительное число структурных дефектов в виде оборванных связей [5, 6].
Если оборванные связи и не могут быть спарены друг с другом, существует возможность спарить их с другими атомными орбиталями. Для этой цели удобен водород, а также и другие атомы, например, фтор, кислород, азот и т.д. В этом случае говорят о гидрогенизированном, фторированном и т.п. полупроводнике. Ярким примером применения пассивации для насыщения неспаренных атомных орбиталей собственного аморфного полупроводника (кремния) является аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) [7].
Введение в пленки аморфного кремния атомов водорода кардинально меняет электрофизические и другие свойства материала. Поскольку в аморфный кремний различными методами может быть введено от нескольких единиц до нескольких десятков атомных процентов (ат. %) водорода, по сути, следует говорить о новом материале - сплаве аморфного кремния с водородом, или гидрогенизированном аморфном кремнии, а-Si:H. С точки зрения атомной структуры а-Si:H представляются важными два вопроса: как влияет введение водорода на структурную сетку атомов кремния и каково локальное окружение атомов водорода в структуре гидрогенизированного кремния?
При увеличении содержания водорода в кремнии радиус первой координационной сферы остается неизменным, в то время как первое координационное число и плотность материала уменьшаются. Уменьшение первого координационного числа связано с замещением части связей кремний-кремний (Si-Si) на связи кремний-водород (Si-H) и на связи Si-H2.
Однокоординированные атомы водорода насыщают химическую связь атома кремния. Колебательная спектроскопия в средней инфракрасной области показывает, что атомы водорода в a-Si:H ковалентно связаны и могут образовывать одну из четырех конфигураций. Такими локальными связанными конфигурациями являются моногидрид (Si-H), дигидрид (-Si-H2), тригидрид (-Si-H3) и полимер (-Si-H2)n. Их присутствие связано с условиями роста пленок и электрофизическими свойствами. Считается, что a-Si:H приборного качества содержит только моногидридные конфигурации с содержанием водорода от 2 до 16 ат. %. При концентрации водорода ³ 20 ат. % возникают связанные с ним дополнительные дефекты.
На сегодняшний день изучены многие собственные свойства аморфного гидрогенизированного кремния. Они включают термически активированную проводимость, край оптического поглощения, фотолюминесценцию, электролюминесценцию и фотопроводимость. В 1975 году Спиру и Ле-Комберу впервые удалось легировать a-Si:H, получая его в присутствии газа, содержащего обычный донор или акцептор (например, PH3 или В2Н6) и таким образом изменять тип проводимости (собственный a-Si:H имеет слабовыраженную электронную проводимость) [8].
1.2. Плотность энергетических состояний в твердых телах
Как известно, соотношение неопределенностей Гейзенберга характеризует область пространственной локализации микрочастицы при заданном интервале проекций импульсов. Для одномерного случая соотношение неопределенностей можно записать в виде:
,
(1)
где dx, dpx – неопределенность в координате и проекции импульса для любой микрочастицы, h - постоянная Планка. Аналогичные неравенства справедливы и для других координат:
, 
.
(2)
Перемножая левые и правые части выражений (1) и (2), получаем:
.
(3)
Выражение (3) характеризует минимальную фазовую ячейку в шестимерном пространстве координат-импульсов, в которой может находиться частица. Число элементарных фазовых ячеек, приходящихся на единичный интервал энергии, т.е. так называемая плотность состояний, определяется следующим выражением:
,
(4)
где E – энергия, g(E) – плотность состояний, m* - эффективная масса носителей заряда [9].
1.3. Локализованные состояния
Неупорядоченность в материалах характеризуется не только хаотическим расположением атомов, но и взаимодействием атомных потенциалов хаотически расположенных центров. В случае одномерной модели непериодичность потенциала U(x) обусловлена искажениями двух видов. Во-первых, все минимумы и максимумы смещаются вдоль оси координат в соответствии со смещением атомов (позиционным или пространственным разупорядочением). Во-вторых, добавляется случайная потенциальная энергия ΔU таким образом, что изменяется высота максимумов и минимумов U(x). Возмущения второго рода не уничтожают периодичности в потенциале и могут быть учтены в некотором приближении. Искажения первого рода при накоплении ведут к значительным изменениям периодичности потенциала, вплоть до замены максимумов на минимумы и наоборот.
Волновые функции в области флуктуационного возмущения отличны от нуля и экспоненциально спадают до нуля на достаточно большом расстоянии от центра. Другими словами, электрон оказывается локализованным в области возмущения. В запрещенной зоне появляются собственные значения энергии электронов, соответствующие локализованным волновым функциям. Такие разрешенные энергетические состояния, связанные с областью флуктуационного возмущения, принято называть флуктуационными локальными уровнями [10].
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.