アモルファス・シリコンの中距離構造の制御と光電流増倍効果

非晶硅中程结构控制与光电流倍增效应

基本信息

批准号：
09239214
负责人：
清水勇
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1997
资助国家：
日本
起止时间：
1997 至 1998
项目状态：
已结题

项目摘要

水素化アモルファス・シリコン(a-Si:H)薄膜作成時の表面、および表面近傍における構造形成化学反応プロセスを水素原子、あるいは電子励起希ガス(Ar^*)のような科学活性種にて変調し、シリコン網目構造における中距離構造を制御することによって、a-Si:Hの基本的性質であるバンドギャップ(Eg)を広い範囲(1,5eV-2.1eV)で制御する新しい技術を開発した。SiH_4をプラズマ中で分解し生成したフリーラジカル(SiH_3)を堆積前駆体として1-3nm圧の超薄膜の堆積と、その表面を水素原子にて処理する過程を繰り返すことにより、Eg=2.1eVに達するワイドギャップa-Si:H膜の作製に成功した。また、水素原子の替わりにAr^*による表面処理を行うことにより、Eg=1.52eVのナロ-ギャップa-Si:H膜の作製にも成功した。水素原子処理では、表面近傍のシリコン網目中に水素が浸透することによって、構造緩和が促進され、中距離構造が異なる網目が形成される。一方、Ar^*処理では、表面水素の離脱に起因する網目中水素の拡散・離脱反応が促進され、シリコン網目構造が離密化することを、エリプリメトリーを用いたその場観測結果から推定した。これらのワイドおよびナロ-ギャップa-Si:H膜はいずれも、欠陥濃度が<10^<16>m^<-3>と低く高品質で優れた光伝導を示し、また、原子間距離、結合角などの短距離構造に差異は認められず、バンド端における局在単位の分布にも変化は認められなかった。したがって、キャリア輸送、緩和特性を損なうことなく、a-Si:H膜のバンドギャプを1.5eV-2.1eVまで自由に変調できる新しい製膜法を開発できた。次に高品質ワイドギャップa-Si:H膜を用いて、高電界印加下で誘起されることが期待される光電流の増倍効果(アバランシェ増幅)の実現を目指したデバイス開発研究を行った。まず、n-type a-Si:H/ワイドギャップ膜/p-type a-Si:H/金属の順序に堆積したダイオード構造デバイスを作製した。n/p層の作製条件、膜厚を最適化したデバイスの一次光電流、ダイオード特性の評価から、優れたデバイス性能が得られ、10^5V/cmの電界印可下でも漏れ電流を低い値に保つことに成功した。しかし、それでも>10^5V/cmの印加電界下では、電圧の増加と共に、漏れ電流が指数関数的に増加した。そこで、p-type a-Si:H層の替わりにSb_2S_3薄膜層を堆積したVidicon型撮像デバイスを作製し、ビデオ信号にて測定した。その結果、漏れ電流は印加電界<6x10^5V/cmまで低い値を保持することが出来、また、光電流は低電界印可で飽和する傾向を示し、ワイドギャップa-Si:H膜が優れた光伝導性を示した。ただ、得られたビデオ信号をテレビ画像として再生すると、>4x10^5V/cmの印可電界下では白キズが現われ、電極から局所的に漏れ電流が注入されていることが分かり、さらにプロッキング電極構造の改善が必要であることが明かになった。

By modulating the structure-forming chemical reaction process at the surface and near the surface when hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films using hydrogenated atoms or scientifically active species such as electron-excited rare gas (Ar^*), and controlling the medium-range structure in the silicon network structure, we have developed a new technology that controls the band gap (Eg), the fundamental property of a-Si:H, over a wide range （1,5EV-2.1EV）。通过使用自由基（SIH_3）在1-3 nm压力下反复沉积超薄膜，这是通过在等离子体中分解作为沉积前体的SIH_4产生的，并用氢原子处理表面，我们成功地制造了宽间隙A-SI：H膜：H膜，达到EG = 2.1 ev。此外，通过用Ar^*而不是氢原子进行表面处理，我们还成功地制造了一个狭窄的间隙A-SI：H膜，EG = 1.52EV。在氢原子处理中，氢会渗透到表面附近的硅网状网中，促进结构弛豫，并形成具有不同中范围结构的网格。另一方面，在Ar^*处理中，由于表面氢的分离而促进了网络中氢的扩散和解吸反应，并使用椭圆型法估计了硅网络结构更加狭窄，从原位观察结果中估计。宽和狭窄的间隙A-SI：H膜均表现出高质量和出色的光电导率，低缺陷浓度为<10^<16> m^<-3>，并且在短距离结构中未观察到差异，例如原子间距离和键角，并且在频段边缘的局部分布分布中未观察到变化。因此，已经开发了一种新的膜形成方法，该方法允许在不损害载体传输和放松属性的情况下自由调制A-Si：H膜的带隙。接下来，我们进行了设备开发研究，目的是使用高质量的宽间隙A-SI：H膜，以实现光电流乘法效应（雪崩扩增）。首先，制造了二极管结构设备，按N型A-SI：H/宽间隙膜/p-Type A-Si：H/Metal沉积。通过评估N/P层制造条件的主要光电流和二极管特性，优化膜厚度以及该设备的主要光电流和二极管特性，甚至在10^5V/cm的电场下，它也成功地将泄漏电流保持在低值。但是，在> 10^5V/cm的施加电场下，泄漏电流随着电压的增加而指数增加。因此，制造了Vidicon型成像设备，其中将SB_2S_3薄膜层用于代替P型A-SI：H层，并使用视频信号测量。结果，泄漏电流可以保持低值，直至施加的电场<6x10^5v/cm，当应用低场时，光电流倾向于饱和，并且宽间隙A-SI：H膜表现出极好的光电传导性。但是，当将所获得的视频信号复制为电视图像时，在> 4x10^5V/cm的应用电场下出现了白色划痕，并且从电极本地注入了泄漏电流，揭示了对绘图电极结构的改进也需要改善。