Различия между аморфным Si:H и кристаллическим кремнием

1. РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ АМОРФНЫМ Si:HИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИМ КРЕМНИЕМ

Аморфные гидрированные полупроводники структурно неоднородны. Этот факт не помешал ни их использованию в оптоэлектронных приборах, ни   описанию таких явлений, как локализация , запрещенные зоны (щели), дефектные состояния с точки зрения квантовомеханической теории. Однако при попытках объяснить с помощью теоретических моделей результаты экспериментов со структурами, используемыми  в приборах, возникают большие трудности. В физике кристаллических полупроводников использование квантовомеханической теории дает возможность создавать материалы с заданными физическими свойствами и приборы. Неспособность теории твердого тела предсказывать свойства аморфных полупроводников частично связана с тем, что мы недостаточно ясно понимаем, из каких основных структурных единиц, состоят аморфные полупроводники и их сплавы.[2]

В отличие от кристаллического кремния, в котором концентрации доноров и акцепторов заданы и фиксированы с момента приготовления кристалла, в аморфном Si:H эти концентрации меняются в одном и том же образце в зависимости от температуры и положения уровня Ферми или концентрации носителей. Атомы легирующей примеси могут иметь 3 - или 4 - кратную координацию и менять свою координацию, понижая свободную энергию материала. То же относится и к атомам кремния. Поэтому, несмотря на то, что в данном образце число легирующих атомов фиксировано, количество доноров или акцепторов, легирующих атомов с 4 -кратной координацией, или дефектов, атомов кремния с 3 - кратной координацией, может изменяться с температурой или при изменении концентрации носителей под действием света или электрического поля. Время установления равновесия определяется диффузией связанного водорода и ниже определённой температуры может быть намного больше времени эксперимента; в этом случае образец находится в стеклоподобном метастабильном состоянии, зависящем от предыстории образца, т.е. от того, действию каких факторов он ранее подвергался (к числу таких факторов относятся температурный режим, световая экспозиция или инжекция носителей). Диффузия водорода в свою очередь зависит от структуры, электрохимического потенциала и концентрации водорода. Исследуя эти факторы, а также диффузию водорода, которая носит дисперсионный характер, можно понять кинетику локальных изменений связей. Поскольку свойства полупроводников тесно связаны с концентрациями доноров, акцепторов и дефектов, в условиях, когда перечисленные величины уже не остаются фиксированными, возникает ряд новых явлений, что может оказаться весьма ценным.

          В кристаллических полупроводниках данным дефектам соответствуют определённые энергетические уровни в запрещённой зоне; данные об их положении являются важной характеристикой полупроводникового прибора. Напротив, в аморфном Si:H  из всех возможных конфигураций дефектов реализуется та, которая обеспечивает наименьшую полную энергию. Поэтому состояния в запрещённой зоне, создаваемые оборванными связями кремния в аморфном Si:H n-типа, будут скорее всего иметь иную энергию, нежели аналогичные состояния в аморфном Si:H p-типа. Иначе, энергия дефектов может зависеть от электрохимического потенциала при той температуре, при которой устанавливается равновесие. Это  усложняет задачу определения одного из важнейших параметров -  плотности состояний в запрещённой зоне как функции от энергии  для данного образца аморфного Si:H.

В отличие от кристаллических полупроводников, в аморфном Si:H, и его сплавах масштаб длины, характеризующий некоторые электронные процессы, не превышает размера неоднородностей и микроскопических пор, которые развиваются в процессе приготовления материала для ослабления внутренних напряжений. Поэтому ряд явлений переноса не удаётся описать таким же образом, как и в случае кристаллов, — приходится искать новые пути. Были получены интересные результаты, касающиеся распределения и образования кластеров связанного водорода, а также топологии структуры в масштабе 20-100Å.

 Для исследования пригодны только тонкие плёнки a-Si:H, что объясняется относительно большими внутренними напряжениями в a-Si:H и малой скоростью нанесения пленок. Из-за малой толщины пленок на измеряемые характеристиками влияют поверхностные состояния, природные оксидные слои, а также адсорбаты. Далее, преимущественно из-за большого коэффициента диффузии и активной роли водорода свойства материала меняются в направлении роста и обладают анизотропией  (анизотропная среда - среда, макроскопические свойства которой различны в различных направлениях, в противоположность среде изотропной, где они не зависят от направления).

          Из-за отсутствия дальнего порядка расположение атомов в аморфных структурах может «приспосабливаться» к различным пространственным масштабам, что открывает возможность получать требуемые оптические и электрические свойства, создавая сплавы аморфного Si:H с различными элементами, например азотом, углеродом или германием. Такие материалы, конечно, более сложны, что приводит к необходимости определения композиционных и структурных неоднородностей, а также изучения их влияния на электронные свойства.

          Способность к структурной адаптации позволяет довольно простыми и недорогими способами создавать многослойные структуры - аморфные аналоги кристаллических сверхрешёток. При этом удаётся получать резкие и ровные границы раздела, с относительно малым числом дефектов между, аморфными материалами, у которых разница в длине ковалентных связей достигает 25 %. В данный момент мы способны получать информацию о структуре поверхностей и границ раздела, а также о системе связей на них с разрешением по глубине в несколько ангстрем. Качество поверхностей позволяет отчётливо наблюдать фононное вырождение и эффекты локализации. Длина когерентности делокализованных состояний электронов и дырок составляет по меньшей мере 50 Å. А это  гораздо больше ожидавшейся величины.

          Впервые выяснилось, что многие странные явления в аморфном Si:H обусловливаются свободой изменения координации связей, чему способствует водород, и релаксацией локальной структуры.

Так обстоит дело во многих стёклах. Однако особенность и преимущество аморфного Si:H состоит в том, что на изменения координации связей влияет заполнение электронных состояний. Благодаря этому существует ряд метастабильных конфигураций, которые можно создавать оптическим или электронным способом. Возможно, из-за того, что в аморфном Si:H уровень Ферми легко сместить путём легирования или иным способом, тогда как в других некристаллических системах сделать это на так просто, указанные явления впервые были обнаружены именно у  аморфного Si:H.