Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния

Тонкоплёночные датчики на основе аморфного кремния

А.Н. Каррыев, к.ф.-м.н, Н.К. Комарова, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ

Важным элементом систем автоматического контроля и управления машинами и технологическими процессами в агропромышленном комплексе являются разнообразные датчики, преобразующие физические величины в электрический сигнал. Один из способов повышения чувствительности датчиков состоит в применении в качестве исходных материалов тонкоплёночных полупроводниковых веществ, к которым относится и гидрогенизированный аморфный кремний (а-81:Н). Данный тонкоплёночный полупроводник технологичен и обладает высокими оптическим поглощением и фоточувствительностью в видимой области спектра. Он широко используется для производства солнечных батарей наземного применения, слаботочных источников электроэнергии, в электрофотографии и устройствах изображения [1]. Использование этого полупроводника в датчиках автоматических систем в настоящее время незначительно.

В настоящей работе представлены результаты разработки приборных структур на основе аморфного кремния, которые могут быть использованы в датчиках аграрного назначения.

Создание приборной структуры на основе плёночного полупроводника предполагает формирование в плёнке слоёв с различным типом и величиной электропроводности, обычно путём введения определённых электрически активных примесей. При разработке приборов на основе аморфного кремния следует учитывать некоторые особенности этого полупроводника, которые влияют на диапазон его возможных применений и определяют технологию их изготовления. К ним относятся следующие его свойства:

1. Низкая подвижность носителей заряда.

2. Изменение электрических свойств высококачественных плёнок при интенсивном освещении видимым светом.

3. Ограниченная термостабильность, обусловленная энергией кремниево-водородных связей.

С учётом этих особенностей в работе применили метод ионной имплантации примесей замещения (фосфора, мышьяка, бора) как основной метод легирования аморфного кремния электрически активными примесями. Также были установлены технологические режимы, позволяющие этим методом получать тонкие слои с различной электропроводностью.

Материалы и методы. Исходным материалом служили плёнки гидрогенизированного аморфного кремния, полученные в Гиредмет (г. Москва) методом высокочастотного разложения силана (8Ш4) в реакторе диодного типа, и плёнки, изготовленные магнетронным методом в аргоно-водородной атмосфере. Толщина плёнок составляла 0,42—1,2 мкм. В качестве подложек использовали пластины из плавленого кварца, стекла и полированные диски кристаллического кремния марки КДБ-10. Оптическая ширина запрещённой зоны исходных плёнок составляла 1,76—1,85 эВ, они обладали высокой фоточувствительностью, а их удельное сопротивление при комнатной температуре — р = 108—1010 Ом • см.

Формирование в плёнках слоёв с определённым типом и величиной электропроводности осуществлялось методом ионной имплантации фосфора, мышьяка и бора на ускорителе тяжёлых ионов в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и ускорителе «Везувий—9» НИИ физических проблем. Путём облучения ускоренными ионами фосфора и/или бора разных энергий и доз в плёнках создавали легированные слои толщиной 420—450 нм с концентрацией внедрённой примеси от 1018 до 4,5 • 1020 см-3. Радиационные дефекты устраняли путём изохронного термиче-

ского отжига облучённых образцов в высоком вакууме в диапазоне температур 300—350 °С.

Результаты исследований. Влияние легирования фосфором и бором на удельное сопротивление плёнок показано в таблице 1. Как видно, эффект легирования значителен и для образцов с концентрацией фосфора N = 2 • 1020 см-3 и составляет почти пять порядков относительно начального значения. Причём фактор увеличения фотопроводимости в области сильного поглощения света для этих плёнок превышает 150 и обусловлен увеличением времени жизни основных носителей заряда (электронов). В целом интегральное значение фотопроводимости Сф при освещении белым светом у всех легированных образцов было выше, чем у нелегированных, а у легированных фосфором — существенно больше, чем у легированных бором [2].

Металлические контакты к приборным структурам создавались с помощью вакуумного термического испарения на установке ВУП-5. Этим методом на поверхность структур наносили тонкие слои алюминия или контакты никель-хром.

1. Удельное сопротивление плёнок, ионно-легированных фосфором и бором

Тип и концентрация имплантированной примеси, см-3 Удельное сопротивление р, Ом  см

Р

2  1019 1,5  105

2  1019 2  106

2  1020 3,3  103

2  1020 5,6  104

2  1018 2  1018 1,9  108

2  1020 2  1020 2  105

Исходный материал 1,55  108

Осуществляли комплексное исследование структуры, состава и свойств исходных и ионнолегированных плёнок аморфного кремния. На одних и тех же образцах измеряли температурные зависимости электропроводности, спектры оптического поглощения, фотопроводимости и фотолюминесценции. Концентрацию дефектов оценивали по пиковой интенсивности спектральной полосы фотолюминесценции с максимумом при 1,2 эВ, чувствительной к концентрации дефектов типа «оборванная связь кремния». В случае приборных структур, представляющих собой фоторезистивные элементы и диодные структуры, измерялись в основном их электрические и фотоэлектрические характеристики.

На основе исходных и легированных плёнок аморфного кремния изготовлены лабораторные образцы фоторезисторов и диодные структуры; на основе гетероперехода аморфный кремний — кристаллический кремний с конструкцией п + - п - а - 8і: Н/р - с - 8і.

Фоторезистивные структуры изготовлены из плёнок, ионно-легированных фосфором и обладающих электронной проводимостью (п — а — 81 : Н ). Толщина плёнки составляет 0,6 мкм, что практически совпадает с областью легированного слоя. Форма светочувствительной области прямоугольная с шириной зазора между контактами 0,5 мм. Электрические контакты создавались путём вакуумного, термического испарения алюминия на поверхность плёнок. Фоточувствительность структур оценивали по отношению их сопротивления в темноте Rт к сопротивлению Яф при освещении «белым» светом лампы накаливания (Е = 50 мВт/см2), фотодеградацию оценивали путём длительного освещения при заметно большей освещённости (Е > 200 мВт/см2).

Фоторезистивные структуры с разным содержанием примеси отличались по своим характеристикам. Было установлено, что на параметры фоторезисторов определяющее влияние оказывают следующие технологические режимы: режим имплантации ионов примеси (энергия и доза ионов), температура и длительность постимплантационного термического отжига. Изменяя режимы, можно получать структуры с разными значениями фоточувствительности, темнового сопротивления Ят и постоянной времени т. Некоторые параметры фоторезистора с концентрацией имплантированного фосфора 2- 1020 приведены в таблице 2.

2. Характеристики фоторезистора из п - а - 8і : Н

Темновое сопротивление, МОм 20

Напряжение, В 50-100

Отношение Ят / Яф 150-200

Постоянная времени по спаду фототока, т, мкс 15-20

Длина волны максимума чувствительности, X, мкм 0,6-0,7

Область спектральной чувствительности, ДХ, мкм 0,4-1,1

Полученные структуры обладали стабильностью. Их характеристики не изменялись с течением времени, при неоднократном термо-циклировании от температуры жидкого азота до комнатной и при продолжительном освещении видимым светом.

Осуществляли лазерную кристаллизацию путём облучения плёнки с имплантированными ионами мышьяка а-8кН (Аз) (энергия ионов — 100 кэВ, доза — 8 • 1015 см-2) одиночными импульсами рубинового лазера длительностью 40 нс. Толщина плёнки составляла 0,6 мкм. Распределение атомов мышьяка при данной энергии ионов имеет вид кривой Гаусса с максимумом концентрации на глубине от поверхности при-

мерно 61 нм и «хвостом», простирающимся на глубину 80—90 нм [3].

При облучении лазерным импульсом с энергией 0,86 или 1,08 Дж/см2 происходила полная кристаллизация плёнки с образованием тонкого легированного слоя п-типа, толщина которого соответствует области внедрения имплантированной примеси мышьяка. В целом образцы плёнки а-81:Н (Аз) после лазерной кристаллизации имели вид мелкозернистых поликристаллических слоёв с размерами зёрен 2—6 мкм. Поверхность плёнок гладкая, а сами кристаллизованные слои плотные, с хорошей адгезией. Они обладали п-типом проводимости со средним удельным сопротивлением (при 300 К) 3—4-104 Ом см и небольшой фоточувствительностью в видимой области спектра, которая в основном обусловлена тонким слоем с имплантированными ионами мышьяка.

Образцы диодных структур на основе гетероперехода аморфный кремний — кристаллический кремний имеют конструкцию п + — п — а — : Н/р — с — , показанную на

рисунке.

Свет а-81:И е-81

Рис. - Схема диодной структуры

Основным элементом структуры является плёнка гидрогенизированного аморфного кремния, осаждённого методом высокочастотного разложения смеси силана SiH4 и фосфина РН3 на пластину из кристаллического кремния, обладающего дырочной проводимостью. Исходная пленка а-81:Н(Р) обладает электронной проводимостью с удельным сопротивлением р = 6 • 103 Ом см и толщиной 1 мкм. Имплантацией ионов фосфора с последующим термическим отжигом в плёнке (с фронтальной стороны) создавался слой с повышенным содержанием фосфора толщиной 0,45 мкм. Концентрация имплантированного фосфора в этом слое со-

ставляет N = 2 • 1020 см-3, а общая концентрация фосфора равна N = 4,5 • 1020 см-3. Электрические контакты из алюминия наносились на фронтальную поверхность структуры в виде системы полосок и сплошным слоем на тыльную сторону. Полученные структуры обладают выпрямительными свойствами. Вольт-амперная характеристика в темноте достаточно хорошо описывается выражением:

У = У0 •

exp(-^-) — 1

пкТ

где / — плотность тока;

/0 — плотность тока насыщения; и — напряжение, Т — температура; п — коэффициент качества диода, имеющий значение 1,8—2,0.

Образцы обладают фоточувствительностью в спектральном диапазоне от 0,38 до 1,3 мкм, что больше, чем у солнечных элементов, изготовленных только а — 81: Н. Полученные диодные структуры измеряли в режиме фотопреобразования солнечной энергии. При освещённости солнечным светом 100 мВт/см2 полученные диодные структуры имеют следующие параметры: напряжение холостого хода ихх = 0,3—0,4 В, плотность фототока короткого замыкания /кз = 2,0—2,9 мА/см2, а коэффициент полезного действия п = 0,6%.

Выводы. Разработаны технологические режимы, позволяющие методом ионной имплантации создавать тонкие легированные слои аморфного и поликристаллического кремния, обладающие фоточувствительностью в видимой области спектра.

Разработаны и исследованы характеристики лабораторных образцов фоторезистора и диодных структур на основе аморфного кремния, которые могут быть использованы в датчиках аграрного назначения.

Гидрогенизированный аморфный кремний представляет собой перспективный материал для датчиков аграрного назначения, в том числе и в интегральном исполнении.

Литература

1. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991. 670 с.

2. Акимченко И.П., Вавилов В.С., Каррыев А.Н. и др. Фотоэлектрические и оптические свойства плёнок а-8кН с имплантированными ионами фосфора и бора // Физика и техника полупроводников. Л.: Наука, 1986. Т. 20. Вып. 5. С. 818-821.

3. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А. и др. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: Издательство БГУ, 1980. 350 с.