Аморфты кремний

 

 

     Глоссарий

 

Аморфты кремний - атомдарды ретсіз орналасқан кремний.

Оптрондар – бір корпусқа орнатылған осы немесе басқа оптикалық байланыстағы сәулелену көзі және қабылдағышы бар оптоэлектрондық прибор.

Болометр – сәулеленудің селекті емес жылулық қабылдағыш, шағылу кезіндегі электрлік кедергінің өзгеруіне негізделген.

Микрофотометр – пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құрал.

Фотоэлектрлік эффект – бетіне әсірекүлгін сәуле түскен кезде сілтілік металдарда электрондардың ұшып шығу құбылысы.

Фотоөткізгіштік – электромагниттік сәуле әсер еткен кездегі жартылайөткізгіштің электрөтімділігінің үлкею құбылысы.

Фоторезистор - өткізгіштігі жарықтың әсеріне байланысты өзгеретін жартылайөткізгіштік прибор.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     МАЗМҰНЫ

 

 

 

ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕУ ТІЗІМІ.......................................................................5

 

КІРІСПЕ..........................................................................................................6

 

1  ӘДЕБИ ШОЛУ

 

 

1.1 Аморфты кремний қондыру әдістері...................................................7

1.2 Аморфты кремний..................................................................................9

1.3 Аморфты кремнийдын жақын реттілгі...............................................11

1.4 Светофильтрлердің жұмыс жасауы .....................................................12

1.5 Локальді электрондық күйлер.............................................................17

1.6 Аморфты кремнийдың опткалық қасиеттері......................................19

1.7 a-Si:H қабықшаларындағы сутегі........................................................22

 

 

2 НЕГІЗГІ БӨЛІМ

2.1 Аморфты кремний қабықшасын  алу...................................................24

2.2 Аморфты кремний қабықшаларының 

оптикалық қасиеттерін анықтау.................................................................26

2.3 Аморфты кремнийдің тиым салынған зонасы ...................................28

 

ҚОРЫТЫНДЫ.............................................................................................31

ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ.................................................32

 

ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕУ ТІЗІМІ 

 

a-Si:H-босқыл гидрогенизирленген  кремний,

ЖВ-жоғарғы вакуум,

Т немесе t –температура,

СК-сыну коэффициенті,

ЖК-жұтылу коэффициенті,

Eg-рұқсат етілмеген зонаның оптикалық  ені,

ВУП-4-вакуумді камера қондырғысы,

СФ-26-спектрофотометр,

ЖТ-жоғарғы температура,

ТТ-төменгі температура,

ИҚ-инфрақызыл,

РТФ-радиалды тарату функциясы,

ЭПР-электронды парамагниттік резонанс,

a-жұтылу коэффициенті,

hn-фотон энергиясы.

 

 

 

 

 

 

 

  КІРІСПЕ

 

      Аморофты кремнийге деген үлкен қызығушылық 2 себеппен түсіндіріледі: олардың біреуі фундаменталды, әлі күнге дейін шешілмеген атомдардың ретсіз орналасу түрінің қасиетнің теориалық сипаттамасының мәселсіне байлансты. Басқа себебі астрофотометрияға қолданбалы жүқа қабыршақты приборлар жасауға мүмкіндік беретін жартылай өткізгішті қасиетті тәжірибелік орнатылған байлансты диодтар, өрістік транзисторлар, фотодиодтар, аморофты заттар тепе-теңсіз шарттар бүл кезде алынады, көбінде силанды плазмохимиялық жіктеу немесе кремниді магнетронық тозаңдандыру әдістермен.аморфтық денелерде үлкен дәреже келтіреді. Кеуек кремний 35 жылдан бері белгілі, бірақ кеуек  кремнтийдің оптикалық қасиеті кристалдық кремнидің оптикалық қасиетінен  кординальды өзгешелікте екені енді ғана ұсынылған. Активті   жұқа   қабықшалы   аспаптар   және   қабықшалы    микросхема негізінде жасау үшін ең ыңғайлысы босқыл кремний. Босқыл шалаөткізгіштерге өте үлкен  қызығушылық екі жолмен  түсіндіріледі,   біріншісі - негізгісі яғни ретсіз орналасқан атомдар жүйесінің қасиеті осы уақытқа дейін теория жүзінде шешілмеген мәселе. Екіншісі-қосымша, ол экспериментті дәлел, яғни шалаөткізгіштік қасиет негізінде жұқа қабықшалы аспаптар, диод, өрісті транзисторлар, фотодиодтар. Үлкен ауданға босқыл заттарды қою   мүмкіндігі   жазық   теледидар,   көшірме  қондырғылары жасалуда.

           Аморфты  шалаөткізгіштерде рұқсат етілмеген  зонаның ені ақаулардың концентрациясымен тығыз байланысты екенін дайындау процессінде пассивті қоспа, технологиялық режиммен және өңдеулермен тәжірибеде көрсетілді. Поликристаллды жұқа қабықшада аз өлшемді түйіршіктің оптикалық қасиеті әлі жеткілікті меңгерілген жоқ. сонымен қатар, бастапқы кремний қасиеттері қайтакристал- лизацияланған кремний параметрлерімен байланысына қатысты мәселе де толығымен қарастырылмады.

Бұл жұмыстың мақсаты босқыл кремний қабықшасының оптикалық қасиетін зерттеу.

 

 

 

 

 

 

 

1 ӘДЕБИ  ШОЛУ

1.1  Аморфты кремнийді қондыру әдістері

 

 

a-Si:H және оның құймаларын қондырудың силанның газдық фазасынан химиялық қондыру, иондық-реактивтік тозаңдату, силанды жоғары жиілікті солғын разрядта және тұрақты токтың солғында ыдырату сияқты әртүрлі әдістері бар. Иондық-реактивтік тозаңдату әдісінің қабықша өсіруде оның құрамын өзгертудің кең мүмкіндіктері бар, сондықтан осы әдіске тоқаталып өтейік.

Іс жүзінде босқыл кремнийді дайындау үшін иондық тозаңдатудың барлық түрлері қолданылады:

1. ЖЖ – катодтық тозаңдату [3];
2. ЖЖ – магнетрондық тозаңдату [4];
3. тұрақты токтағы магнетрондық тозаңдату [5];
4. иондық шоғырлармен тозаңдату.

Иондық –реактивтік тозаңдандыру әдісінің артықшылықтары:

1. кремний шикізатын неғұрлым толығымен пайдалану;
2. a-Si:H қабықшаларын жоғары жылдамдықпен отырғызу мүмкіндігі;
3. қабықшадағы сутегі концентрациясын кең интервалда өзгерту мүмкіндігі;
4. қалыңдығы бойынша біртекті үлкен аудандарда қабықшалар алу мүмкіндігі.

 

Зерттеулер саны және ғылыми жұмыстар нәтижесін сериялық және жаппай өндіруге енгізу дәрежесі жағынан босқыл сутектендірілген кремнийді өндіру әдістерінің ішінде бірінші орынды жоғары жиілікті солғын разрядта кремнийлі газ тәрізді қосылыстарды ыдырату әдісі даусыз иеленеді (стандартты жиілік 13,56 МГц). Бұл әдіс кремнийсутекті газ қоспаларын (SiH4 – моносилан немесе Si2H6 – дисилан) әртүрлі еріткіш газдармен (Ar, He, H2 және басқалары) солғын разрядтың плазмасында тікелей қоздыруға негізделген, бұл жұмыс зонасы мен төсеніштегі температураны термиялық пиролиздегіден әлдеқайда төмен ұстауға мүмкіндік береді.

Басында α-Si:H қабықшаларын алу үшін индуктивті байланысы бар жүйе қолданылған [2], бұл ішінде қыздырылған тағанға орнатылған төсеніші бар кварц реактор. Жұмыс газы (силан немесе сәйкес газ қоспасы) реактор арқылы үздіксіз өтіп отырады, реактор ішіндегі қысым 13,3 – 133 Па аралығында сақталады, газ ағысының жылдамдығы 0,1 – 10 см3/мин (қалыпты жағдайдағы). Плазма сыртқы байланыс катушкасы арқылы қоздырылады, катушка әдетте 13,56 МГц жиілікте жұмыс істейтін жоғары жиілікті генераторға жалғанған. Қозғалғыштық саңылауындағы локальді күйлер тығыздығы ең аз болатын қабықшалар алу үшін отырғызу температурасы 523 К және 603 К аралығында және жоғары жиілікті қуаттың төмен мәндері (1-10 Вт) болуы керек екендігі байқалды. Бірақ бұл әдіс үшін үлкен аудандарда біртекті үлгілер алуда қиындықтар туындайды.

Бұл қиындықтарды сиымдылық байланысы бар жүйелерді қолдану [3] арқылы шешуге болады, және төсеніш қойылатын электродты жермен жалғап қоюға (яғни оның потенциалы металл камераныкімен бірдей болады) немесе сәйкестендіруші қондырғы және бөлуші конденсатор арқылы жоғары жиілікті генераторға жалғауға болады [4]. Соңғы жағдайда төсеніштің бетінде тұрақты электрлік ығысуда болады, ол алынатын қабықшаның қасиетіне әсер етеді. α-Si:H абықшалары отырғызылатын камерада әдетте газ қоспасының қысымы 0,65 – 33 Па аралығында, ал фотоэлектрлік қасиеттері оптикалды қабықшалар алыну үшін отырғызу температурасы 473 – 573 К аралығында болады.

[5-6] жұмыстарда α-Si:H қабықшаларды алу технологиясы обылысын зерттеу жұмыстары негізінен процесс параметрлерінің оптималды сәйкестігін анықтауға бағытталған, ол параметрлер: төсеніш температурасы, плазманың солғын разрядының тұтынатын қуаты, қалдық және жұмыс газ қысымы, газ ағысының жылдамдығы және концентрациясы, газды ертіушінің типі, төсенішұстағыш-электродқа берілетін электр потенциалының шамасы, газ разрядын қоздыратын электр өрісінің жиілігі, т.б.

Бірақ әрбір параметрдің нақты мәні әрбір реактордың нақты конструкциясына және көлеміне, вакуумдық жүйенің өнімділігі мен типіне және т.б. ғана емес, сонымен қатар, технологиялық параметрлерді бақылау әдісіне, басқарушы және бақылау-өлшеу аппаратурасына да тәуелді болады. Осылардың нәтижесінде тіпті бір ғана автордың әртүрлі уақытта жариялаған еңбектерінде осы технологиялық параметрлердің әртүрлі мәндері көрсетілуі мүмкін.

α-Si:H қабықшаларын силанды қолданып отрығызудағы плазмалық процесстерді ары қарай дамытуда және алынған материалдың қасиеттерін оптимизациялауда отырғызу процессін микроскопиялық деңгейде дтельді қарастырған жөн. Процесстерді микроскопиялық деңгейде қарастыру электрондар мен молекулалардың соқтығысуларының қимасымен, радикалдардың, оң және теріс иондардың тасымалдануымен, газ фазасындағы реакциямен, плазманың әртүрлі компоненттері мен өсіп келе жатқан пленка бетінің әсерімен суреттеледі.

[5] жұмыста көрсетілгендей, силан плазмасында өтетін процесттердің сипаты біршама деңгейде төмендегі технологиялық шарттарға тәуелді:

1) аса жоғары жиіліктерге немесе циклотрондық қозуларға тән өте төмен (<1,33 Па), немесе жиілігі 13,56 МГц кейбір раазрядтарда силанның төмен парциалдық қысымы мен қуаттың жоғары мәндерінде электрондар мен SiH4 молекулаларының соқтығысуы басым болады, бұл жағдайда Si*, SiH* және SiH2* радикалдары пайда болады және иондар ағынының радикалдар ағынына қатынасы 10%-ті құрайды;

2) SiH4-тің орташа парциалдық қысымдарында (~13,3 Па) және қуаттың төмен мәндерінде иондардың қабықшаның өсу процессіне қосатын үлесі шамалы (~1%), бірақ екінші реттік газ фазасындағы раекциялар SiH3* радикалдарын тудырады, олардың жабысу ықтималдығы төмен ал қабықшаның бетіндегі қозғалғыштығы жоғары, олардың өсу процессіне үлесі болуы үшін кремнийдің бос байланысы болуы керек;

3) силанның жоғары парциалдық қысымы (>26,6 Па), ағынның төмен шамасында, және разрядтың қуатының үлкен мәнді тығыздықтарында газ фазасында полимеризация жүреді.

 

1.2. Аморфты кремний

 

Жетпісінші жылдардың екінші жартысынан бастап дамыған елдерде босқыл сутектендірілген кремний (α-Si:H) және соның негізіндегі құймаларды зерттеулер жүргізілуде. Бұл оның практикада қолданылуының перспективалылығымен байланысты. α-Si:H-ты қолдану мүмкіндігі және оның негізінде жасалатын қондырғылар тізімі үздіксіз кеңеюде, дәл қазір аморфты кремний негізіндегі құймаларды қолданатын қырыққа жуық обылыстарды атап өтуге болады.

Бірақ босқыл кремний фототүрлендіргіштер жасауда арзан материал ретінде басты қолданыс  тапты.

α-Si:H-тың оптоэлектрондық приборлар жасаудағы перспективалық материал қатарына қосатын кейбір қасиеттерін атап өтейік:

1. α-Si:H-тың жарық спектрінің көрінетін обылысындағы жұту коэффициенті монокристаллдық кремниймен салыстырғанда он еседей үлкен, сондықтан көрінетін жарықты жұту үшін босқыл кремнийдің шамамен 1 мкм қалыңдықтағы қабықшасы жеткілікті;
2. тиым салынған зонадағы локальді күйлер тығыздығы төмен, бұл сутектендірілген аморфтық кремнийдің өткізгіштік типін оңай өзгерте отырып p-n ауысулар жасауға болатын басқа кез-келген шалаөткізгіш материалдармен бірдей қолдануға мүмкіндік береді;
3. тот баспайтын болат, шыны, керамика, полимидтік қабықша төсеніштерде үлкен аудандарда босқыл кремнийдің жұқа қабықшаларын өндіру мүмкіндігі;
4. сонымен қатар, α-Si:H қабықшалары 6000С-тан төмен температурада өсіріледі, бұл кристаллдарды өсіру процессіне тән үлкен энергия шығынын болдырмайды.

    Аморфты заттар тепе-теңдіксіз  шарттарда, мысалы, асқын суыту кезінде  алынады сұйықтың жылдамдығы 104-1010К/с).

    Аморфты кремнийдің екі  түрі бар,

1)Тығыздық күйі  5*1019см-3*эВ-1    тең  таза кремний үзілген байланыс түрінің аймақталған күй негізінде көрсетіледі,

2) Күй тығыздығы үш рет төмен  рұқсат етілмеген өңірдің парамагнитті аймақтық күйі жоқ сутегі-қоспалы кремний.

    Таза материалдың және сутегісі бар материалдың  үзілген  байланыстар  арасында  химиялық реакция жүргізуге болады, нәтижесінде  таза материал  төмен тығыздықты гидрогенизирленген кремнийге  айналатындығын  зерттеулер  көрсетті. Сондықтан   реакция    сутегі атомы мол сутекті плазмада жүргізіледі.

   Бірақ сығылмайтын бөлшектерден тұратын кез-келген жеткілікті дәрежеде тығыз кезінде олда (жақын) кіші дәреже туады пайда боады. Жақын дәреже электроөткізгіштің активациялық механизімі және жутылудың оптикалық шеті сияқты жартылай өткізгішті қасиеттің байқалуына жауапты. Жақын дәрежелі аймақтың радиусының өзгеруі аморфтық кремнидің қасиетіндегі өзгерісін әлсіретуі мумкін. Аморфтық материлдарды сипаттау үшін пайдалануы мүмкін 2 негізгі моделдер класы бар. Микрокристалдық модель және кездейсоқ тор моделі. Микрокристалдық моделдің айтарлықтай кемшілігі бар, беттік атомдардың ішкі атомдар санына қатынасы үлкен. Үш элементар ұяшыққа тең өлшемді кристалдарда микрокристалиттер шекарасына шамамен атомдардың жартысы келеді. Сондықтан бұл шекараларды жалғаушы мата кристоллмт сияқты маңызды бұл өте кіші өлшемді кристоллиттің шегінде микрокристалдың модель кездейсоқ тор моделіне жақын болады. Аморофты жартылай өткізгіштерде оптикалық қасиеттері құрамындағы негізгі қоспа ақаулар концентрациясына тығыз байланысты екені тәжірибелік түрде бекітілген.зереннің өлшемі аз болатын жұқа поликристалдық қабыршақтың оптикалық қасиеті сияқты қасиеттері қатты кристалдардан кремнидің оптикадық параметрлеріне байланысты сұрақтарда жеткілікті дәрежеде зерттелген.