Идентификация механизмов токопереноса структур Me-a-Si: H при автоматизированной обработке экспериментальных данных

Актуальность темы

Высокий уровень качества радиоэлектронных устройств (РЭУ) во многом зависит от изучения и внедрения новых материалов, обладающих конкурентно способными значениями основных параметров. К таким материалам можно отнести аморфные полупроводники. Исследование электронных процессов в аморфных полупроводниковых материалах является в настоящее время одним из актуальных направлений развития микроэлектроники. Повышенный интерес, который проявляется в последнее время к изучению аморфных полупроводников, обусловлен в первую очередь их широким практическим применением. Одним из наиболее важных и перспективных неупорядоченных материалов является гидрогенизированный кремний (a-Si:H). Объем производства приборов и устройств на его основе значительно превышает использование других материалов данного класса. Наиболее часто a-Si:H используется для создания: электрофотографических слоев, солнечных элементов, матриц тонкопленочных транзисторов для жидкокристаллических индикаторов и различных датчиков. С практической точки зрения неупорядоченные материалы обладают весьма существенными преимуществами по сравнению с кристаллическим полупроводникам: сравнительно низкие температуры технологического процесса и достаточно высокие скорости роста слоев хорошего (приборного) качествавозможность формирования в одном технологическом цикле приборов даже на гибкой подложке с большой площадью рабочей поверхности (до нескольких десятков квадратных метров) — возможность управления свойствами аморфного полупроводника и прибора на его основе за счет изменения параметров технологического процесса.

Однако эксперименты показывают, что реализация перечисленных преимуществ не гарантируется одним лишь выбором стандартных технологических режимов, которые позволяют получать слои некристаллического полупроводника. На оптимизацию технологий с целью получения материала приборного качества часто уходят целые месяцы экспериментов, так как потенциальное преимущество технологии некристаллических материалов — зависимость свойств от условия полученияприводит к резкому увеличению параметров оптимизируемого процесса. Существующие технологические установки для роста некристаллических полупроводников, как правило, имеют до десятка каналов управления технологическими режимами. Это, в свою очередь, задает соответствующее число факторов эксперимента и определяет большой объем параметров, требуемый для оптимизации технологии пробных реализации. Многочисленные эксперименты показали, что даже при малых (в пределах погрешности эксперимента) вариациях параметров процесса осаждения, оптимизируемый параметр растущего слоя материала может претерпевать резкие изменения. Таким образом, весьма актуальной как с научной, так и с практической точки зрения является задача разработки новых подходов к описанию взаимосвязи между условиями получения и свойствами неупорядоченных полупроводников. Решение данной задачи заключается в проведении новых экспериментов, их обработки и в выявлении идентифицирующих параметров для каждого из механизмов переноса заряженных частиц в структурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Для этого необходимы методики анализа результатов и математические модели механизмов токопереноса контакта Me-a-Si:H.

Целью диссертационной работы является идентификация доминирующих механизмов токопереноса в структурах металл — аморфный гидрогенизированный кремний при автоматизированной обработке экспериментальных данных.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие механизмы токопереноса контакта металл — аморфный гидрогенизированный кремний и выявить их физико — математические модели.

2. Подобрать аппроксимирующие функции для возможных механизмов токопереноса, позволяющие с минимальной погрешностью моделировать экспериментальные зависимости.

3. Разработать методику идентификации механизмов токопереноса по результатам экспериментальных исследований.

4. Разработать программное обеспечение для получения и обработки результатов экспериментальных исследований контакта Me-a-Si:H.

Методы исследования. При проведении исследований использовался аппарат математической статистики, включая:

• рекуррентный метод наименьших квадратов;

• робастные методы и оценки;

• регрессионные модели.

Научная новизна:

• создан алгоритм идентификации механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл — аморфный гидрогенизированный кремний;

• разработан комплекс статистических моделей механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл — аморфный гидрогенизированный кремний;

• получены интервалы возможного нахождения тангенса угла наклона аппроксимирующей прямой зависимости тока от обратной температуры: надбарьерная 4.9.6.5, генерация рекомбинация 8.9.11.7.

Положения, выносимые на защиту- •результаты анализа отличительных характеристик и значений коэффициентов математических моделей физических механизмов переноса заряженных частиц в контакте металл — аморфный гидрогенизированный кремний;

• алгоритм идентификации механизмов переноса заряженных частиц в структурах металл — аморфный гидрогенизированный кремний;

• статистические модели механизмов токопереноса заряженных частиц в структурах металл — аморфный гидрогенизированный кремний и программное обеспечение для автоматизированной обработки экспериментальных данных;

• идентифицированы следующие механизмы переноса заряженных частиц: в структурах Т1, Т2,Т4 — эмиссия ШотткиТ6, Т10 — эмиссия генерации — рекомбинацииТ8 — туннельная эмиссияТ7, Т9 — ТОГОТЗ, Т5 -омическая проводимость.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается:

• применением достоверных методов теории вероятности и математической статистики;

• использованием известных физических моделей механизмов переноса заряженных частиц через контактный барьер Me-a-Si:H;

• совпадением результатов автоматизированной идентификации механизмов токопереноса эталонных структур с результатами, полученными другими методами, не поддающимися алгоритмизации.

Практическая ценность работы. Разработана методика идентификации механизмов переноса заряженных частиц контакта металламорфный гидрогенизированный кремний.

Создано программное и аппаратное обеспечение для автоматизированной обработки экспериментальных данных структур на основе контакта металламорфный гидрогенизированный кремний.

Разработаны статистические модели, описывающие механизмы переноса заряженных частиц контакта металл — аморфный гидрогенизированный кремний, позволяющие описывать физические процессы при различных возможных наборах данных, с целью обеспечения контроля качества.

Разработана библиотека объектов на языке Delphi, реализующая отображение и обработку экспериментальных данных аморфного гидрогенизированного кремния и позволяющая встраивать их в любые программы, написанные на Delphi.

Создана база данных результатов статистической обработки экспериментальных данных структур на. основе контактов металламорфный гидрогенизированный кремний, позволяющая увеличить вероятность идентификации механизмов переноса заряженных частиц контакта металл — аморфный гидрогенизированный кремний. Созданная база данных и ее дальнейшее пополнение экспериментальными результатами, полученными в различных лабораториях мира, позволят более точно определить критерии оптимальности технологического процесса.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы на Рязанском заводе металлокерамических изделий при определении механизмов токопереноса барьерных структур на основе контакта металл — аморфный кремний путем автоматизированного анализа экспериментальных данных. Пакет программ для обработки экспериментальных данных структур металл-аморфный гидрогенизированный кремний, представленный в диссертации, внедрен и используется в учебном процессе, на кафедре «физики и технологии электротехнических материалов и компонентов» Московского энергетического института (специальность 2001).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1.1-я Всероссийская научно — техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», 1999 г., г. Нижний Новгород.

110 выводы.

В настоящей главе описаны способы и условия получения тестируемых структур, а именно:

1. Получение гидрогенизированных пленок аморфного кремния методом разложения силановой смеси в плазме тлеющего разряда (TP).

2. Получение гидрогенизированных пленок аморфного кремния методом высокочастотного ионоплазменного распыления кремниевой мишени (РР).

Были рассчитаны погрешности измерения значений тока, напряжения, сопротивления, ёмкости, освещенности в измерительных каналах, а также оптимальное количество проводимых испытаний равное 10.

Приведены результаты автоматизированной обработки десяти структур: Al/a-Si:H/WAl/a-Si:H/WAl/a-Si:H/VAu/a-Si:H/NbAl/a-Si:H/CuAu/a-Si:H/NiAl/a-Si:H/CrAu/a-Si:H/NbAl/a-Si:H/AlAu/a-Si:H/Nb. Наиболее подробно в качестве примера рассмотрена структура Al/a-Si:H/Al.

Результаты обработки экспериментальных данных пакетом прикладных программ (ППП) DETMED доказали работоспособность ППП и заложенного в его основу алгоритма идентификации.

В случае надежной идентификации механизмов прохождения, появляется возможность контролировать качество получаемых барьерных структур на аморфных полупроводниках, регистрируя надбарьерную эмиссию Шоттки (в случае «активного» барьера металл-а-БпН) и квадратическую проводимость в случае получения квазиомического контакта для структуры p-i-n солнечного элимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволяют сформулировать основные выводы и результаты:

1. Проведен анализ существующих физических и математических моделей механизмов переноса заряженных частиц через контакт Me-a-Si :Н-Ме. В результате чего были выделены характерные признаки, позволяющие идентифицировать каждый из пяти механизмов токопереноса.

2. Проанализированы существующие математические методы обработки экспериментальных данных, среди них были выбраны следующие статистические методы:

• Регрессионные модели механизмов переноса заряженных частиц в контакте (Me-a-Si: Н).

• Оценивание параметров функции отклика по наблюдениям неполного ранга.

• Регуляризующие свойства рекуррентного метода наименьших квадратов.

3. Разработана методика идентификации механизмов переноса заряженных частиц через контакт Me-a-Si:Н-Ме.

4. Разработано аппаратное обеспечение, позволяющее полностью автоматизировать процесс измерения параметров исследуемого образца, с последующей их записью в базу данных.

5. Разработан пакет программ «Обработка экспериментальных данных аморфного гидрогенизированнного кремния (Me-a-Si:H)» (DETMED), позволяющий обрабатывать экспериментальные данные структур на основе аморфного гидрогенизированного кремния. С помощью пакета были обработаны экспериментальные данные десяти тестовых структур.