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 . 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

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:

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

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:

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

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.

Следует отметить, что 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 ${\displaystyle \alpha (\omega )}$ заметно падает до некоторой пороговой частоты ${\displaystyle \omega _{0}}$ . 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 :

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

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

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

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 ${\displaystyle \alpha (\omega )}$ , 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 ${\displaystyle \sigma _{\phi }}$ от интенсивности света ${\displaystyle I}$ в большинстве аморфных полупроводников может быть описана зависимостью ${\displaystyle \sigma _{\phi }\sim I^{n},}$ где ${\displaystyle 0{,}5\leq n\leq 1.}$

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.

Примечания

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 . (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. . — К. : Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, 2016. — 328 с.