Effect of structure on current transfer in cadmium telluride films of different thickness.pdf Повышение воспроизводимости в технологии создания поликристаллических пленочных структур является важнейшей задачей микроэлектроники и оптоэлектроники. Ее решение определяется возможностью прогнозирования влияния технологических факторов на структуру и электрические свойства пленок [1], что требует моделирования технологических процессов и межоперационного управления. Следует отметить, что размеры межкристаллитных расстояний (прослоек) имеют статистический характер и находятся в пределах от нескольких min до max [2]. При наличии в пленке прослоек 1, 2 и 3 с одинаковым весовым соотношением могут наблюдаться разные изломы на зависимости I-V [3]. Известно [4, 5], что пленки с поликристаллической структурой на границах зерен могут содержать большое количество энергетических барьеров (до 108 кристаллитов на 1 см2). На этих барьерах происходит рассеивание и захват носителей тока, которые в основном определяют степень электропроводности пленок [6]. Проницаемость барьеров экспоненциально зависит от приложенного напряжения, что выражается в наблюдаемой зависимости тока от напряжения, состоящей из одного или нескольких экспоненциальных участков, наблюдаемых в широком диапазоне значений тока [4, 5]. В наших экспериментах на пленках CdTe наблюдались два или три экспоненциальных участка (рис. 1). Поликристаллические пленки теллурида кадмия на различных подложках получены методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме при помощи вакуумной установки ВУП-5. При изготовлении наших пленок температура подложки составляла Тп = 493 К, расстояние подложка-образец R = 8-10 см, ток испарителя - 2.5-5 А, вакуум - 10-5 мм рт.ст. На рис. 2 представлены рентгенограммы пленок CdTe-CdTe и CdTe-GaAs, а в табл. 1 - структурные характеристики пленок различной толщины. Поскольку структурные изменения в подложках CdTe и GaAs идентичны, мы проведем анализ для пленок CdTe-CdTe. Как следует из рис. 2 и табл. 1, изменение толщины от 80 до 200 мкм приводит к уменьшению интенсивности на 20% и размера кристаллитов на 15%. Таким образом, более толстые пленки имеют менее совершенную структуру, т.е. кристаллиты становятся дефектными. Дефекты решетки (вакансии, межузельные атомы, дислокации и т.п.) приводят к появлению дополнительных центров захвата в запрещенной зоне. В то же время увеличение толщины пленки приводит к увеличению количества барьеров. Частичное уменьшение размеров кристаллитов, а также увеличение числа барьеров являются основными причинами уменьшения проводимости пленки с увеличением толщины. Рис. 1. Вольт-амперные характеристики структур на основе пленок CdTe различной толщины: 1 - 80 мкм; 2 - 110 мкм; 3 - 160 мкм; 4 - 200 мкм Рис. 2. Дифрактограммы пленок CdTe при различных толщинах (а - CdTe-CdTe; б - CdTe-GaAs): 1 - 80 мкм; 2 - 110 мкм; 3 - 200 мкм Таблица 1 Структурные характеристики пленок CdTe разной толщины Подложка Толщина пленки D, мкм Температура подложки, К Интенсивность в максимуме по реф. (III), Im Размеры кристаллитов hк, 10-10 м Межплоскостное расстояние d, 10-10 м CdTe 80 110 160 200 493 116 110 108 91 164 160 155 140 3.8610 3.8740 3.8621 3.882 GaAs 80 110 160 200 493 121 117 114 92 155 150 144 135 3.8625 3.8714 3.8610 3.8800 Рентгеновским методом исследованы зависимости размеров кристаллитов [7], микроискажений и плотности дислокаций в пленках CdTe от толщины. Установлен факт увеличения вероятности дефектов упаковки с увеличением толщины пленки, что препятствует росту кристаллов и приводит к увеличению микроискажений и плотности дислокаций [8]. Как видно из рис. 1, для пленок толщиной 200 мкм на вольт-амперной характеристике отчетливо видны три наклона, что свидетельствует о наличии в пленке двух типов барьеров при напряжениях ~ 200 и ~ 300 В соответственно. Трудно представить появление строго определенных энергетических барьеров, поскольку пленки синтезируются из паровой фазы: всегда существует определенное распределение значений потенциальных барьеров - 0. Поэтому пробой барьера происходит в определенной зоне напряжения, причем эта зона больше для толстых слоев (рис. 1, кривые 3 и 4). Для пленок толщиной 200 мкм и более возможно образование кристаллитов, различающихся дефектностью в широких пределах. Это приводит к частичному уменьшению интенсивности кристаллических рефлексов и размеров когерентных областей. По-видимому, в этом причина выделения двух типов барьеров, проявляющихся в вольт-амперных характеристиках. В литературе достаточно примеров, в которых наблюдаются несколько изломов на вольт-амперной характеристике, соответствующих барьерам разного типа [9, 10]. Известно, что в состоянии равновесия заряд на межкристаллитных границах компенсируется положительным зарядом ионизированных доноров в области пространственного заряда, а потенциальная высота барьера определяется в основном концентрацией ионизированных доноров Nd, пространственной ширины области заряда и среднего размера кристаллитов hк. Для рассматриваемых пленок Tп приближает свойства поликристаллических пленок к свойствам монокристаллов. Согласно исследованиям [9], для пленок, удовлетворяющих условиям hк >> (hк - средний размер кристаллита, - ширина области пространственного заряда), проводимость определяется соотношением (1). Из формулы (1) следует, что показатель экспоненты зависит от природы барьеров. Участки с разным наклоном деталей (рис. 1) свидетельствуют о наличии в рассматриваемых пленках барьеров разного типа. Если принять, что в среднем к каждому однотипному барьеру приложено напряжение V/m (m - число барьеров между электродами, V - межэлектродное напряжение), то для вольт-амперной характеристики пленки мы можем написать отношение , (2) по которому определяют высоту потенциального барьера φ и число последовательно соединенных барьеров m. По наклону ВАХ определяем параметр m (количество барьеров в пленке) . (3) При равномерном распределении кристаллитов (барьеров) среднее расстояние между барьерами, т.е. линейные размеры кристаллитов, можно определить по формуле . Этот метод был использован для оценки высоты барьера в пленках теллурида кадмия; ранее он применялся для анализа процесса переноса тока в поликристаллическом фосфиде галлия. Для проведения экспериментов был изготовлен ряд образцов - пленок CdTe-CdTe с узким распределением кристаллитов по размерам, и с особой точностью были зарегистрированы начальные участки вольт-амперной характеристики при комнатной температуре (рис. 5). Рис. 5. Начальный участок вольт-амперной характеристики структур на основе пленок CdTe Результаты обработки данных представлены в табл. 2. Видно, что высоты барьеров разных типов мало отличаются друг от друга, а вот расстояния между ними различаются почти на порядок. Это свидетельствует о том, что электрические свойства пленок CdTe практически полностью определяются процессами на межкристаллитных барьерах. Таблица 2 Влияние температуры отжига на hк на высоту барьера Толщина пленок, мкм Тп, К Тотж, К Число барьеров m Расстояние между барьерами hк, 10-10 м Высота барьера Е, эВ 110 300 493 493 493 493 - - 533 603 623 13615 5711 3420 2152 1497 80 200 323 512 735 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 Следует отметить, что полученные в литературе значения энергии активации для поликристаллических пленок теллурида кадмия в зависимости от технологии производства составляют 0.25-0.45 эВ [11-13]. Таким образом, в неоднородных полупроводниковых пленках с мелкозернистой структурой электрические явления в основном обусловлены энергетическими барьерами, возникающими на границах кристаллитов и определяемыми высотой барьеров и линейным расстоянием между ними. В поликристаллических полупроводниках перенос тока осуществляется по уровню потока, который зависит от распределения потенциальных барьеров в пленке. Эти барьеры сосредоточены в основном на границе кристаллитов. Чем выше величины межкристаллитных барьеров, тем больше энергия уровня протекания [10]. Проводимость поликристаллических пленок представляет собой среднюю проводимость цепочки кристаллитов, разделенных межкристаллитными барьерами. На 1 см2 поверхности пленки может приходиться до 108 кристаллитов. Сопротивление пленки представляет собой сумму сопротивления барьеров и сопротивления самих кристаллитов. Цепочки кристаллитов являются основными поставщиками свободных носителей заряда, а межкристаллитные барьеры действуют как регуляторы тока через кристаллит за счет модуляции высоты барьера внешними смещениями. Темновая проводимость полупроводников при температуре Т описывается формулой , где - предэкспоненциальный фактор; E - энергия активации носителей заряда; k - постоянная Больцмана. Из этой зависимости можно определить энергию активации ΔE. Темновую проводимость образцов измеряли в интервале температур 300-475 К (рис. 4). Как видно из рис. 3, проводимость образцов увеличивается с ростом температуры. Зависимость представляет собой прямую линию, что свидетельствует об активационном характере проводимости в пленках CdTe. Очевидно, что линейный характер зависимости lg σ - (1/T) позволяет предположить, что доминирующую роль в механизме проводимости пленок должны играть токоограничивающие границы зерен. Следует отметить, что границы зерен возникают из-за несовершенств, связанных с поликристаллической природой пленок. На рис. 6 представлены температурные зависимости lgσ для исходной и отожженной пленок CdTe толщиной 110 мкм. Видно, что зависимости для разных толщин практически параллельны, но наклон зависимости для отожженной пленки частично уменьшается. На основании данных, представленных на рис. 6, рассчитаны энергии активации носителей для исходных пленок различной толщины (~ 0.47 эВ) и термообработанной пленки (0.41 эВ).

Скачать электронную версию публикации