Диссертация (1097807), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Обнаруженная фотолюминесценция указывает на возможностьиспользовать слои аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутые облучениюфемтосекундными лазерными импульсами с большой плотностью энергии, дляпереизлученияультрафиолетовойчастисолнечногоспектравэффективнопреобразуемый солнечным элементом на основе a-Si:H видимый свет.6. Установлено, что спектр фотолюминесценции пленок nc-Si/a-Si:H с небольшойдолей ансамблей кремниевых нанокристаллов (до 20 %) можно разделить на двесоставляющие: люминесценция с максимумов вблизи 1.3 эВ, соответствующаяизлучательным переходам хвост-хвост в аморфном кремнии, и люминесценция смаксимумом вблизи 1.5 эВ, характеризующая электрон-дырочную рекомбинацию внанокристаллах кремния.
Данный результат можно использовать как методикудетектирования небольшой доли нанокристаллов кремния в матрице a-Si:H.91ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ПЛЕНОК nc-Si/a-Si:HВ данной главе изучаются механизмы переноса и рекомбинации носителей зарядав пленках nc-Si/a-Si:H. Первая часть главы посвящена исследованиям проводимости впленках nc-Si/a-Si:H с различной объемной долей кремниевых нанокристаллов.Приводятсяданныеанализируютсяповозможныетемпературнымпроцессызависимостямпереносаносителепленокnc-Si/a-Si:H,заряда,обсуждаютсязависимости положения уровня Ферми от температуры.
Во второй части главыприводятся сведения по изучению фотоэлектрических свойств пленок nc-Si/a-Si:H.Описываются использованные методики измерения стационарной фотопроводимости ирелаксации фотопроводимости в структурах nc-Si/a-Si:H. Исследуется влияниеобъемной доли кристаллической фазы на температурные зависимости стационарнойфотопроводимости и кинетики ее спада в пленках nc-Si/a-Si:H. Рассматриваются также,полученныенаоснованииизмеренийстационарнойинестационарнойфотопроводимости, температурные зависимости дрейфовой подвижности и временифотоответа в пленках nc-Si/a-Si:H.
В заключение предлагается модель переноса ирекомбинации носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:H.3.1. Перенос носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:HНа температурной зависимости темновой проводимости нанокристаллическогокремния можно выделить два характерных участка, резко отличающихся друг от другакак качественно, так и количественно. Первый участок лежит в области высокихтемператур и, как правило, предполагается, что проводимость на нем определяетсяпереносом носителей заряда по делокализованным состояниям. Второй участокнаблюдается при низких температурах и здесь, в основном, предполагают прыжковыймеханизм переноса.
Надо заметить, что разбиение температурной зависимостипроводимости на высокотемпературную и низкотемпературную области весьмаусловно,посколькуточнаятемпературнаяграницамеждурассматриваемымиобластями не определена. Правда, отметим, что в большинстве работ в качестве такойтемпературной границы указана комнатная температура.92В случае проводимости по делокализованным состояниям проводимость (σd) ncSi:H для одного типа носителей может быть выражена формулойσ* = σ0−ijk,(3.1)где Ea – энергия активации проводимости, k – постоянная Больцмана, T – температура,а σо – предэкспоненциальный множитель [152].
Энергия активации может зависеть какот энергетического расстояния между уровнем Ферми (EF) и краем соответствующейзоны, так и от энергии активации подвижности, в случае если последняя носитактивационный характер.Нелегированный nc-Si:H, полученный методом PECVD, является материалом nтипа и обладает достаточно большой проводимостью, величина которой при комнатнойтемпературе обычно составляет 10-4-10-3 Ом-1см-1 [152] и зависит от условий полученияпленки. В частности, проводимость nc-Si:H немонотонно зависит от частотывозбуждения плазмы тлеющего разряда [104], от мощности разряда, достигаямаксимума при мощности разряда ~50 Вт [153], и монотонно возрастает приповышении температуры подложки в процессе осаждения пленки от 180 до 320 оС [42].Значение проводимости nc-Si/a-Si:H определяется также долей кристаллической фазыXc, увеличиваясь с увеличением Xc [154].То,чтонелегированныйnc-Si:H,полученныйметодомPECVD,имеетпроводимость n-типа, согласно [152], объясняется наличием в пленке кислорода,который неконтролируемо вводится в пленку в процессе ее получения.
Легированиефосфором приводит к увеличению проводимости nc-Si:H и позволяет достичь прикомнатной температуре значения σd≈10-2 Ом-1см-1 [152]. В случае легирования nc-Si:Hбором,уровеньФермисмещаетсявнаправленииквалентнойзоне,инанокристаллический кремний из материала n-типа переходит в материал p-типа. Приэтом в области комнатных температур, проводимость nc-Si:H сначала уменьшается,достигает минимального значения 10-8-10-7 Ом-1см-1 при концентрациях бора 1017-1018см-3, соответствующих границе между n- и p-типом проводимости (областикомпенсации), а затем увеличивается и достигает значения ~10-2 Ом-1см-1 [152].В целом ряде работ [55,155-157] сообщается о том, что проводимость nc-Si:Hзависит от толщины пленки.
В указанных работах обнаружено, что проводимостьсначала увеличивается с толщиной пленки, а затем выходит на насыщение. Как ужеуказывалось, нанокристаллический кремний имеет многослойную структуру, и93ближний к подложке слой представляет из себя аморфный кремний. В связи с этим идоля кристаллической фазы зависит от толщины пленки: для тонких образцовкристалличность невелика, а с увеличением толщины пленки кристалличность растет.Авторами [157] было обнаружено, что для образцов толщиной менее 0.6 мкм (Xc<80%)предэкспоненциальный множитель σо практически не зависит от толщины пленки, аэнергия активации проводимости Ea уменьшается с толщиной.
Наоборот, для образцовс толщиной более 0.6 мкм и, соответственно, с Xc>80 %, σо резко уменьшается столщиной пленки, а Ea практически перестает зависеть от толщины. Авторы [157]предположили, что подобное поведение σо и Ea, может объясняться разнымимеханизмами переноса носителей в пленках nc-Si:H, имеющих толщину большую именьшую 0.6 мкм. В случае малой толщины пленки, в nc-Si:H имеются лишь отдельныемаленькие нанокристаллики, на границах которых не формируются потенциальныебарьеры,ипоэтомуносителимогутбеспрепятственноперемещатьсяподелокализованным состояниям, чем и может объясняться постоянное значение σо.Энергия активации проводимости в этом случае может уменьшаться за счет смещенияуровня Ферми к зоне проводимости в результате увеличения кристалличности пленки.Для толстых пленок, с большой долей кристаллической фазы, нанокристаллыформируются в колонны, на границах которых могут существовать потенциальныебарьеры.
Из-за наличия потенциальных барьеров, носителям заряда может быть болеевыгоден перенос не по делокализованным состояниям, а прыжковый механизмпереноса по состояниям хвоста плотности состояний. Этим и может, согласно [157],объясняться наблюдаемое резкое уменьшение σо с толщиной пленки и практическипостоянное при этом значение Ea.Как уже отмечалось выше, зависимость проводимости нанокристаллическогокремнияподелокализованнымсостояниямоттемпературыописываетсяактивационным законом.
Характер изменения энергии активации проводимости прилегировании nc-Si:H диаметрально противоположен характеру изменения самойтемновой проводимости, то есть Еа максимальна в области компенсации и уменьшаетсяпри легировании nc-Si:H как бором так и фосфором [152].На момент постановки задачи отсутствовала единая точка зрения о механизмепереноса носителей заряда в nc-Si/a-Si:H. Работы посвященные исследованиюпроводимости носителей по делокализованным состояниям в nc-Si/a-Si:H можно94условно разбить на три группы.
В первой группе работ предполагается, что переносносителей происходит в кристаллической фазе, а проводимость определяетсяположением уровня Ферми и потенциальными барьерами на границах нанокристалловили колонн нанокристаллов. В данных работах в основном рассматривается nc-Si/aSi:H с большой долей кристалличности, т.е. nc-Si:H. Во второй группе работпредполагается, что в переносе носителей участвуют как кристаллическая, так иаморфная фазы. При этом проводимость nc-Si/a-Si:H определяется, в частности,потенциальными барьерами на границах аморфной и кристаллической фазы. Данныйподход, по-видимому, оправдан в основном для nc-Si/a-Si:H с промежуточной и малойдолей кристаллической фазы. Наконец, к третьей группе можно отнести работы, вкоторых перенос носителей происходит, в зависимости от доли кристалличности, либов аморфной фазе, либо в кристаллической.
Когда Xc превышает некое критическоезначение, носители могут перемещаться по нанокристаллам, минуя аморфныевкрапления (существует “перколяционный” путь). В противном случае, в переносеносителей заряда участвуют как кристаллическая, так и аморфная фазы.Одной из первых работ, в которой была сделана попытка объяснитьэкспериментальныеданныепотемпературнымзависимостямпроводимостинелегированного и легированного донорами nc-Si:H, была работа Ле-Комбера и др.[158]. Авторыуказанной работы воспользовались моделью, которая широкоиспользуется для объяснения фотоэлектрических свойств поликристаллическогокремния (см. например [159]).
Согласно этой модели, на границах разделананокристаллов, из которых состоит материал, имеются состояния на которыезахватываются носители, в результате чего возникают потенциальные барьеры (см. рис.3.1). В случае проводимости по делокализованным состояниям, наличие на границахраздела потенциальных барьеров определяет характер переноса носителей заряда иприводит к активационной зависимости холловской подвижности (µH) с энергиейактивации, равной высоте барьера.
Согласно [158] энергия активации холловскойподвижности совпадает с энергией активации проводимости nc-Si:H только в случае,когда плотность поверхностных состояний на границах нанокристаллов nt меньше, чемконцентрациядоноров Nd, т.е. lm < o* 78 9:( 78 9:- характерный размернанокристалла). В этом случае высота и толщина барьера изменяются в зависимости отсоотношения между длиной Дебая LD и 78 9: .Для легированных образцов LD<78 9: ,а95для номинально нелегированных (с неконтролируемо вводимой концентрациейдоноров ~1017 см-3) LD становится порядка 78 9:и высота барьера уменьшается.
Впредельном случае, когда концентрация доноров Nd настолько мала, что выполняетсянеравенство lm p o* 78 9: ,потенциальные барьеры на границах колонн исчезают и,соответственно, не влияют на перенос носителей.По мнению авторов работы [47] представляется маловероятным возможностьиспользования “барьерной” модели, развитой для поликристаллического кремния вслучае малых (порядка 10 нм) размеров нанокристаллов nc-Si:H. Посколькуконцентрациятакихнанокристалловсоставляет примерно1018 см-3, тодляформирования потенциальных барьеров на границах нанокристаллов необходимаконцентрация носителей заряда, больше 1018 см-3. Поэтому, согласно [47], болеевероятно образование барьеров на границах колонн нанокристаллов.Рис. 3.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
