Аморфный полупроводник (Gbkjsudw hklrhjkfk;unt)

Аморфный полупроводник — вещество в аморфном состоянии, которое имеет ряд свойств, характерных для кристаллических полупроводников. К таким свойствам, в частности, относятся сильная температурная зависимость электрической проводимости, существование порога оптического поглощения. Важность этих материалов обусловлена уникальными свойствами, которые открывают широкие возможности для их практического использования. Наиболее изученными аморфными полупроводниками являются аморфные германий и кремний, сплавы халькогенидов с различными металлами (например, As-S-Se, As-Ge-Se-Тe), стекловидные селен и теллур.

Физические свойства

Электронная структура

Схематическое изображение структуры кристаллического, аморфного и аморфного гидрогенизированного кремния.

Свойства аморфных полупроводников как неупорядоченных систем, для которых отсутствует дальний порядок, не могут быть объяснены на основе классической зонной теории для кристаллов. Атомы в аморфном полупроводнике вместо упорядоченного расположения образуют непрерывную случайную сеть. Благодаря своей структуре некоторые атомы имеют оборванные связи, которые, фактически, являются дефектами в непрерывной случайной сети и могут привести к аномальной электропроводности материала. Однако из-за наличия ближнего порядка в аморфных полупроводниках некоторые особенности энергетического спектра электронов и электронных свойств подобны свойствам кристаллических полупроводников. Хотя энергетический спектр аморфных полупроводников и подобен энергетическому спектру кристаллических, он не тождественен ему.

Для обоих типов полупроводников характерно наличие валентной, запрещенной и зоны проводимости. Близки и формы распределения плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости. В то же время структура состояний в запрещённой зоне в некристаллических полупроводниках отличается от кристаллических. Вместо четко очерченной запрещенной зоны, которая наблюдается в кристаллических полупроводниках, запрещённая зона аморфных полупроводников содержит обусловленные структурным разупорядочением локализованные состояния, которые формируют хвосты плотности состояний выше валентной зоны и ниже зоны проводимости. Эти хвосты локализованных состояний распространяются в запрещённую зону на несколько десятых эВ. Те состояния, которые находятся ближе к середине запрещённой зоны, более локализованы («мелкие» локализованные состояния), находящиеся ближе к краям зон — протяжённые. Такой аналог запрещённой зоны полупроводников, в аморфных полупроводниках сплошь заполнен локализованными уровнями, называется щелью подвижности или запрещённой зоной по подвижности, а границы щели подвижности, которые разделяют локализованные и делокализованных состояний, называются порогами подвижности.

«Мелкие» локализованные состояния в хвостах зон, находящиеся в тепловом обмене с делокализованными состояниями выше порога подвижности, представляют собой уровни «прилипания». Многократный захват резко снижает дрейфовую подвижность носителей тока. Взаимодействие свободных электронов в разрешённых зонах с «мелкими» локализованными состояниями в хвостах зон обуславливает переход к дрейфовому характеру переноса. Если система локализованных состояний характеризуется высокой плотностью, то дрейф заменяется дисперсионным транспортом .

Проводимость

Для аморфных полупроводников выделяют три механизма электропроводности, которые преобладают в различных температурных диапазонах  :

• проводимость, обусловленная носителями в делокализованных состояниях, температурная зависимость которой описывается выражением:

$\sigma =\sigma _{1}e^{-\Delta E/kT}$.

Этот тип проводимости, аналогичный собственной проводимости кристаллических полупроводников, преобладает при высоких температурах;

• проводимость, обусловленная носителями, возбужденными в локализованные состояния в «хвостах» зон .
• проводимость, обусловленная носителями, которые совершают прыжки между локализованными состояниями вблизи уровня Ферми, то есть прыжковая проводимость, которая описывается формулой Мотта для трёхмерного случая:

$\sigma =\sigma _{3}e^{-(T_{0}/T)^{1/4}}$.

Прыжковая проводимость преобладает при низких температурах. В халькогенидных стеклообразных проводниках эффективное взаимодействие между локализованными электронами может носить характер притяжения; это приводит к их спариванию, и прыжковая проводимость, как правило, не наблюдается.

В отличие от кристаллических, большинство аморфных полупроводников практически нечувствительны к добавлению примесей. Объяснение может заключаться в том, что в аморфных веществах может осуществляться такая перестройка связей, где все валентные электроны примесного атома будут участвовать в связях. Так, например, в кристаллическом кремнии атом фосфора образует четыре ковалентных связи. Предполагается, что в аморфном кремнии атом фосфора окружен пятью атомами кремния. Если это так, то примесные уровни образовываться не будут.

Дрейфовая подвижность носителей тока в аморфных полупроводниках значительно ниже подвижности в кристаллах. Большинство аморфных полупроводников характеризуются заметной фотопроводимостью.

Эффект переключения

Для многих халькогенидных стекловидных полупроводников в системах металл — полупроводниковая пленка наблюдается быстрый (~ 10⁻¹⁰ с) обратный эффект переключения с высокоомного в низкоомное состояние, при котором проводимость возрастает на несколько порядков под действием сильного электрического поля. В частности, существует переключение с «памятью», когда низкоомное состояние сохраняется и после снятия электрического поля (эффект Овчинского). Эта «память» стирается сильным и коротким импульсом тока. Единственная теория, которая объясняла бы это явление, по состоянию на 2019 год не создана, разработан только ряд моделей и гипотез, хотя соответствующие аморфные полупроводники уже используются для создания элементов памяти.

Природа эффекта переключения может быть как электронная за счёт инжекции носителей тока из металлического контакта в полупроводник, так и тепловая вследствие эффекта шнурования тока. Инжекции носителей можно достичь, приложив высокое напряжение между металлическими контактами на поверхности аморфного полупроводника. Если напряжение уменьшить, то электроны «упадут» из проводящих состояний в ловушки вблизи верхнего края щели подвижности, откуда затем могут быть легко возбуждены в зону проводимости. Эта неравновесная ситуация может привести к такому заселению энергетических состояний вблизи верхнего края щели подвижности, как будто уровень Ферми поднялся в эту область. В результате проводимость полупроводника возрастёт. По тепловой природы эффекта переключения в проводнике возникает горячая «нить», в результате увеличения температуры в которой проводимость вещества в ней также растёт. Увеличение температуры является следствием выделения тепла Джоуля — Ленца при прохождении электрического тока через полупроводник.

Оптические свойства

Оптические свойства аморфных полупроводников обусловлены их электронный структурой. Исследование оптических свойств даёт обширную информацию о зонной структуре. Сравнение оптических свойств некристаллических полупроводников с кристаллическими указывает на сходство этих свойств, но не тождественность. В спектрах поглощения аморфных полупроводников, как и кристаллических, имеется полоса собственного поглощения, положение края которой определяет ширину оптической запрещенной зоны. Коэффициент оптического поглощения аморфных полупроводников $\alpha (\omega )$ заметно падает до некоторой пороговой частоты $\omega _{0}$. Поэтому в зависимости от способа получения аморфного полупроводника наблюдается два типа поведения:

• коэффициент оптического поглощения резко обрывается по пороговой частоте, практически падая до нуля, образуя резкий край зоны (край поглощения)
• коэффициент оптического поглощения только уменьшается, оставаясь конечным в области частот, ниже пороговой, образуя «хвост» в спектре поглощения.

Наличие края поглощения можно объяснить тем, что, несмотря на большую концентрацию локализованных состояний в запрещённой зоне подвижности, оптически возбужденные переходы между локализованными состояниями маловероятны из-за большого расстояния.

Частотная зависимость коэффициента поглощения в области оптического «хвоста» хорошо описывается правилом Урбаха:

$\alpha (\omega )\sim \exp\{-h(\omega -\omega _{0})/2\pi \mathrm {E} \}$,

где $\mathrm {E}$- некоторая характерная энергия. В области частот, превышающих пороговую, частотная зависимость коэффициента поглощения достаточно хорошо описывается формулой

$\alpha (\omega )\thicksim (\omega -\omega _{0})^{2}/\omega$.

Если сравнивать спектры поглощения аморфного полупроводника и того же полупроводника в кристаллическом состоянии, то кроме сдвига края поглощения в длинноволновую область наблюдается уширение спектрального максимума, который сдвигается в область коротких волн. Пики в спектрах $\alpha (\omega )$, отвечающие особым точкам Вант — Хоффа в кристаллических полупроводниках, в аморфных обычно «размываются», иногда вообще исчезая.

Экситонные линии в спектрах оптического поглощения аморфных полупроводников, как правило, не наблюдаются.

Многие аморфные полупроводники характеризуются выраженной фотопроводимостью, однако, в отличие от кристаллических полупроводников, концентрация фотовозбуждённых неравновесных носителей тока в них может на порядок превышать концентрацию равновесных при одной и той же температуре. Зависимость фотопроводимости $\sigma _{\phi }$ от интенсивности света $I$ в большинстве аморфных полупроводников может быть описана зависимостью $\sigma _{\phi }\sim I^{n},$ где $0{,}5\leq n\leq 1.$

Получение аморфных полупроводников

Технологии получения аморфных полупроводников проще и продуктивнее технологии получения кристаллических, что существенно удешевляет соответствующие материалы и продукты на их основе. Аморфные кремний и германий получают путем их испарения и конденсации в глубоком вакууме или катодным распылением в аргоновой плазме.

Практическое применение

Практическое применение аморфных полупроводников определяется особенностями их структуры, свойств, химической стойкостью и механической прочностью, а также технологичностью их обработки и возможностью получения материалов с заданными свойствами. Преимущества неупорядоченных полупроводников, которые определяют их практическое применение, по сравнению с кристаллическими заключаются в следующем:

• практическое отсутствие ограничений по площади;
• низкая (по сравнению с монокристаллами) стоимость производства, слабая связь «размеры-стоимость»;
• возможность изготовления электронных матриц на некристаллических подложках;
• соотношение некоторых электрофизических характеристик, которые недоступны в кристаллах;
• наличие уникальных эффектов, которые отсутствуют в кристаллах и позволяют разработку приборов на новых принципах.

Аморфные полупроводники используются для создания фотоэлектрических преобразователей, тонкоплёночных транзисторов, элементов памяти, жидкокристалических дисплеев. Некоторые устройства регистрации оптических изображений удалось создать только благодаря использованию аморфных полупроводников. К таким устройствам относятся, например, телевизионные трубки типа «видикон», современные фотокопировальные приборы и регистрирующие среды типа «халькогенидных стекловидный полупроводник — термопластик».

История

В 1956 году Н. А. Горюнова и Б. Т. Коломиец обнаружили, что некоторые стекловидные халькогениды имеют полупроводниковые свойства. Выявление этого факта, а также следующие фундаментальные работы А. Ф. Иоффе, А. Р. Регеля, А. И. Губанова, Н. Мотта и Э. Дэвиса стали толчком к большому числу теоретических и экспериментальных исследований аморфных полупроводников.

В 1960 году Иоффе и Регель высказали предположение, что электрические свойства аморфных полупроводников определяются не дальним, а ближним порядком. На основе этой идеи была развита теория неупорядоченных материалов, которая позволила объяснить многие свойства некристаллических веществ. В 1961—1962 годах А. Д. Пирсоном, Б. Т. Коломийцем, С. Г. Овшинским независимо друг от друга был обнаружен эффект переключения. В патентной литературе эффект переключения, на который Овшинским в 1963 году был получен патент США, называется эффектом Овшинского. Он впервые указал на возможность использования эффекта переключения для создания элементов памяти. Значительный прогресс в теоретических и экспериментальных исследованиях, а также перспективы практического использования аморфных полупроводников способствовали значительному повышению интереса к ним со стороны научного сообщества.

Наибольших успехов здесь удалось достичь в начале 70-х годов, когда были разработаны промышленные технологии получения аморфных полупроводниковых галогенидов, из которых были изготовлены кинескопы, флуоресцентные лампы тлеющего разряда, оптические приборы памяти, поляризационные переключатели, процессоры для фотолитографии и тому подобное.

В 1972 году было проведено первое заседание японского постоянного семинара по физике и использование аморфных полупроводников под руководством керамического общества Японии. С 1974 по 1982 год семинары по физике и использование аморфных полупроводников проводились практически ежегодно. Открытие в 1976 году возможности легирования аморфного кремния (a-Si), полученного в тлеющем разряде, положило начало использованию его фотопроводящих свойств, связанных с сильным оптическим поглощением в видимой части спектра. В 1979 году был создан первый тонкоплёночный транзистор на основе a-Si.

Источники

• Губанов А. И. Квантово-электронная теория аморфных полупроводников. — М.;Л.: АН СССР, 1963. — 250 с. (рус.)
• Аморфные полупроводники и приборы на их основе / под ред. Горелика С. С.. — М.: Металлургия, 1986. — 366 с. (рус.)
• Чабан И. А. Эффект переключения в халькогенидных стеклах // Физика твердого тела. — 2007. — Т. 49. — С. 405—410. (рус.)
• Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Мир, 1982. — 386 с. (рус.)
• Забродский А. Г.,Немов С. А.,Равич Ю. И. Электронные свойства неупорядоченных систем.. — С.-Петербург: "Наука", 2000. — 70 с. — ISBN 5-02-024927-0. (рус.)
• Меден А. Физика и примененение аморфных полупроводников: пер. с англ. / А. Меден, М. Шо. — М.: Мир, 1991. — 670 с. — ISBN 5-03-001895-6. (рус.)
• Названов В. Ф. Физика неупорядоченных полупроводников: Учеб. пособие для студ. физ. и мех.- мат. фак.. — Саратов: Изд-во "Саратов", 2004. — 56 с. — ISBN 5-292-03340-5. (рус.)
• Попов А. И. Аморфные полупроводники в микро- и наноелектронике // Приложение к журналу «Вестник РГРТУ». — 2009. — № 4. — ISSN 1995-4565. (рус.)
• Дойніков Л. І. Аморфні напівпровідники: від ідеї до виробництва / Л. І. Дойніков, В.Т. Маслюк.. — Київ: Т-во "Знання", УРСР, 1984. — 47 с.
• Хамакава Й. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. Под редакцией докт.техн.наук С.С. Горелика.. — М.: Металлургия, 1986. — 376 с. (рус.)
• Васін А. В. Структурно-морфологічні, електронні та оптичні властивості аморфних нанокомпозитних матералів на основі сполук SiOС: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра фіз.-мат. наук: 01.04.17. — К.: Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, 2016. — 328 с.