Диссертация (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния), страница 13

Данная глава посвящена исследованию электрических,оптических и фотоэлектических свойств пленок pc-Si:H, а так же поиску характерныхособенностей пленок pc-Si:H, которые могут позволить определять наличие малогоколичества кристаллических включений.3.1 Исследованные образцыНами были исследованы образцы, полученные методом разложения газовой смесисилана и водорода в плазме высокочастотного (60 МГц) тлеющего разряда в технологическихусловиях, близких к началу формирования кристаллической фазы. RН, изменяющихся от 3 до16.

В литературном обзоре было показано, что данный интервал значений RН долженсоответствовать началу формирования кристаллической фазы в пленках. Мощность разряда идавление газов в реакционной камере составляли соответственно 6 Вт и 133 Па. Температуракварцевых подложек составляла 170 ºС, толщина осажденных пленок - около 1 мкм.Для проведения электрических и фотоэлектрических измерений на поверхностьпленок напылялись контакты из алюминия. На время измерений образцы помещались ввакуумный криостат (при остаточном давлении 10-3 Па). Предварительный отжиг пленок ввакуумепритемпературе170ºСпозволялизбавитьсяотметастабильныхфотоиндуцированных дефектов и влияния атмосферы воздуха.3.2 Структура пленок pc-Si:HАнализ структуры полученных пленок проводился при помощи спектроскопиикомбинационного рассеяния света.

Спектры КРС, полученные для образцов серии с RH < 11,61имели схожую форму, характерную для a-Si:H. В качестве примера на рисунке 22 приведеныспектры, полученные для образцов Rh_3 и Rh_10 (здесь и далее в данном разделе образцыобозначаются в соответствии со значением RH, использованном при их получении). Каквидно из рисунка, для данных образцов на спектрах КРС отсутствует пик на 520 см-1,соответствующий появлению кристаллической фазы. По мнению авторов [85] это означает,что доля нанокристаллов составляет не более нескольких процентов (или же отсутствуютвовсе).

В литературе, для таких пленок так же используется термин «аморфные, с точкизрения спектроскопии рамановского рассеяния света» («Raman amorphous»). Увеличение RHвыше 10 приводит к резкому росту объемной доли кристаллических включений (около 30 %для RH = 11) в структуре пленок. Поскольку данный раздел посвящен протокристаллическомукремнию, свойства пленок с RH > 10 далее рассматриваться не будут.Можно заметить, что увеличение величины RH от 3 до 10 приводит к некоторомусмещению TO максимума в область высоких частот (примерно на 5 см-1).

Авторы [64]связывали наблюдаемый ими аналогичный сдвиг с возникновением в образцах областейнанометровых размеров, сформированных из нанокристаллов кремния, малая доля которыхне приводит к появлению заметного пика на 520 см-1. Так же стоит отметить, что, как видноиз рис. 22, отношение интенсивности максимума, соответствующего «аморфной» ТА моде, кинтенсивности максимума, соответствующего ТО моде, для пленки Rh_10 меньше, чем дляпленки Rh_3. По мнению авторов [144] подобное изменение отношения интенсивностейфононных мод свидетельствует об уменьшении степени беспорядка в структуре пленки.Таким образом, варьирование RH в области от 3 до 10 не привело к существенномуизменению структуры пленок, однако наблюдалось небольшое изменение спектров КРС,которое может быть вызвано появлением нанокристаллов кремния, то есть связано сформированием протокристаллического кремния.621.2Raman intensity, arb.

units1.0120.80.60.40.20.0100200300400500Raman shift Dn, cm600700-1Рис. 22 Спектры комбинационного рассеяния света для пленок Rh_3 (1) и Rh_10 (2).3.3 Электрические и фотоэлектрические свойства пленокpc-Si:HРассмотрим влияние изменения RH на фотоэлектрические характеристики материала.На рис. 23 представлены температурные зависимости темновой (σd) и фотопроводимости(σph) для пленок Rh_3 и Rh_10. При комнатной температуре исследованные пленки имелизначения темновой проводимости σd в области (3.5ˑ10 -11 -5ˑ10 -10) См/см. Характертемпературных зависимостей σd в области комнатной температуры был близок кэкспоненциальному с энергией активации Ea=0.86-0.90 эВ (черные линии на рис. 23).Подобные значения энергий активации свидетельствуют о положении уровня Ферми вблизисередины щели подвижности a-Si:H.Проведенные измерения показали, что характер температурных зависимостейфотопроводимости исследованных пленок при их освещении зависел от энергиивозбуждающего кванта света.

В качестве примера на рис. 23 представлены результаты,полученные для образцов Rh_3 и Rh_10 при их возбуждении квантами света с энергиейhν=1.0 эВ, 1.3 эВ и 1.8 эВ. Измерения проводились при интенсивностях света,обеспечивающих для данных образцов в области низких температур близкие значения σph и,соответственно, близкие положения квазиуровня Ферми при разных значениях hν.

Как видноиз рисунка, при hν=1.0 эВ и 1.8 эВ фотопроводимость исследованных образцов возрастает сувеличением температуры. В тоже время при hν=1.3 эВ наблюдается температурное гашение63фотопроводимости (ТГФ), то есть уменьшение фотопроводимости с ростом температуры.Наиболее заметно эффект ТГФ проявляется в образце Rh_10, в котором, согласноприведенным выше результатамКРС,возможноприсутствиенанокристаллическихкремниевых включений. Заметим, что энергия кванта, при которой наблюдается эффект ТГФ,больше ширины запрещенной зоны кристаллического кремния и меньше ширины щелиподвижности a-Si:H. Эффект температурного гашения фотопроводимости при энергии квантападающего света 1.3 эВ проявляется меньше при уменьшении значения RH.Рис.

23. Температурные зависимости темновой проводимости σd и проводимости пленокпри их освещении излучением с разными энергиями квантов σ ph для пленок Rh_3 (a) и Rh_10(b).Эффект ТГФ хорошо известен для пленок a-Si:H [145]. Он наблюдается в пленках aSi:H в области низких температур при их возбуждении квантами света, превышающимиширину щели подвижности (1.8 эВ). При уменьшении энергии кванта эффект ТГФ в a-Si:Hисчезает.

Более подробно этот эффект будет рассмотрен в главе, посвященной пленкамполиморфного гидрогенизированного кремния. Однако, описанный выше эффект ТГФ,наблюдаемый нами для пленок pc-Si:H, существенно отличается от «классического» эффектаТГФ как по значениям температуры максимума фотопроводимости, так и по поведению приизменении энергии кванта падающего света. Это не позволяет использовать для егообъяснения интерпретацию, предложенную для «классического» эффекта ТГФ.По нашему мнению, присутствие кремниевых нанокристаллов в исследованныхпленках может объяснить наблюдаемое температурное гашение фотопроводимости привозбуждении пленок излучением с энергией квантов 1.3 эВ.

Так как для энергии кванта 1.3 эВкоэффициент поглощение в c-Si примерно на два порядка превосходит коэффициентпоглощение в a-Si:H, то даже 1% нанокристаллических включений в структуре пленки можетоказать существенное влияние на фотопроводимость материала.64Согласно результатам исследований границы раздела с-Si/a-Si:H, проведенных вработе [146], для данной гетероструктуры разрывы зоны проводимости ΔЕС и валентной зоныΔEV составляют соответственно ΔЕС =0.14±0.10 эВ и ΔEV =0.46 ± 0.05 эВ, то естьзапрещенная зона с-Si смещена вверх по энергии относительно середины щели подвижностиa-Si:H. На рисунке 24 представлено схематическое изображение гетероперехода между a-Si:Hи c-Si. Рассмотрим процессы, происходящие с фотогенерированными в нанокристаллеэлектроном и дыркой при различных температурах.

Считается общепринятым, чторекомбинация неравновесных носителей заряда в a-Si:H происходит через состоянияоборванных связей, расположенных в середине щели подвижности. В большинстве случаевпредполагается, что основными носителями заряда в нелегированном a-Si:H являютсяэлектроны из-за их большей подвижности по сравнению с подвижностью дырок. Можнопредположить, что большое значение ΔEV приводит к тому, что дырки, возбужденные внанокристаллах светом с hν= 1.3 эВ, при низкой температуре оказываются «запертыми»внутри нанокристаллов. Т.е.

дырки не могут перейти в валентную зону a-Si:H и принятьучастие в процессах рекомбинации. С ростом температуры вероятность термическоговыброса в валентную зону a-Si:H фотогенерированных в нанокристаллах дырок должнавозрастать. В этом случае они могут принимать участие в процессе рекомбинации сэлектронами через состояния оборванных связей и, соответственно, уменьшать время жизниосновных носителей заряда и измеряемую фотопроводимость. По нашему мнению,температура начала эффекта ТГФ соответствует началу эффективного термическоговозбуждения дырок из валентной зоны c-Si в валентную зону аморфной матрицы.Метод постоянного фототока (СРМ) позволяет измерять спектральные зависимостикоэффициента поглощения (αCPM) в области края поглощения материала.