Диссертация (1097807), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Во втором случае от температуры зависят какподвижность, так и концентрация носителей заряда. Прыжковый механизм переносаносителей заряда по состояниям вблизи уровня Ферми в nc-Si/a-Si:H при низкихтемпературах предполагается также и в работе [173].Отсутствие активационной зависимости проводимости пленок nc-Si:H при низкихтемпературах (T=80-300 K) авторы работы [155] по-разному объясняют в случае тонкихи толстых пленок.

В случае тонких пленок отсутствие активационной зависимостипроводимости связывается со статистическим сдвигом уровня Ферми, а в случаетолстых пленок – с туннелированием носителей между нанокристаллами.Согласно работам [103,107], в области температур T<20 K в сильно легированныхобразцахnc-Si:H n-типа наблюдалась активационная зависимость проводимости (сэнергией активации ~3 мэВ). Подобная активационная зависимость σd(T) можетобъяснятьсяпрыжковымпереносомэлектроновсучастиемфононовмеждулокализованными состояниями в запрещенной зоне, также как это происходит и в c-Si.Однако, в отличие от кристаллического кремния где прыжковый перенос электроновпроисходит между донорными состояниями, в nc-Si:H прыжки электронов, по мнениюавторов [103,107], скорее всего происходят по состояниям хвоста зоны проводимости.Как видно в литературе довольно много данных, посвященных анализумеханизмов проводимости в пленках nc-Si/a-Si:H.

Однако многие результаты, взятые изразных источников, не согласуются между собой, а зачастую и противоречат другдругу. По-видимому, во многом это связано с отсутствием систематическихисследований, проведенных одной группой авторов на образцах с различной долейкристаллической фазы, различным уровнем легирования, и полученных различнымиметодами. Такого рода исследования проведены а представляемой диссертационнойработе.Температурные зависимости темновой проводимости (σd) образцов nc-Si:H(таблица 1.1) представлены на рисунке 3.3. На рисунке 3.3 (а) представлены101температурные зависимости σd для образцов с проводимостью p-типа, а на рисунке 3.3(b) – с проводимостью n-типа.10-210-210-310-3ba10-410-510-510-610-610-7410-75σd, S/cmσd, S/cm10-410-8610-810-91210-10310-910-111234567811000/T, K-1234567891000/T, K-1Рис.

3.3. Температурные зависимости темновой проводимости (σd) пленок nc-Si:H с проводимостью pтипа (а) и с проводимостью n-типа (b). Цифры на рисунке соответствуют номерам образцов из таблицы1.1.Как видно из рисунка в области исследованных температур (130-450 К) всеполученные зависимости σd(T) имеют активационный характер. Значения энергийактивации Ea представлены в таблице 3.1. Активационный характер температурныхзависимостей проводимости с постоянными значениями энергии активации для каждогообразца, по-видимому, указывает на то, что в данных пленках nc-Si:H перенос носителейзаряда во всей области исследованных температур происходит по делокализованнымсостояниям. Более того, поскольку в исследованных пленках nc-Si:H велика долякристаллической фазы, можно предположить, что перенос носителей происходит поколоннам из нанокристаллов c-Si, минуя аморфную фазу, то есть существуетперколяционный путь, состоящий из колонн нанокристаллов.

В этом случаетемпературная зависимость проводимости nc-Si:H может определяться температурнымизависимостями подвижности носителей заряда (µ(T)) и концентрации дырок в валентнойзоне (p(T)) в случае проводимости p-типа, или концентрации электронов в зонепроводимости (n(T)) в случае n-типа проводимости. Заметим, что для образцов № 2 и №6, у которых энергия активации проводимости примерно 0.5 эВ возможна биполярная102проводимость.

Однако, как отмечалось, поскольку подвижность электронов в nc-Si:Hвыше чем дырок, то и для этих образцов монополярная проводимость, определяемаяэлектронами, более вероятна.Таблица 3.1. Значения энергий активации Ea образцов nc-Si:H.№образцаизтаблицы1.1Ea, эВ1234560.210.510.440.270.230.5Рассмотрим, чем может определяться энергия активации темновой проводимостиnc-Si:H. Для определенности будем говорить о проводимости n-типа. В случаепроводимости, определяемой дырками можно записать аналогичные, полученным ниже,формулы.

Температурная зависимость подвижности (µ(T)) может иметь активационныйхарактер (см. формулу (3.2)), из-за наличия потенциальных барьеров для электронов награницах соприкасающихся колонн, т.е.u−µ d ∼^Pv ,rdгде Eb – высота потенциального барьера. Концентрация электронов (n(T)) в зонепроводимости определяется положением уровня Ферми Ef относительно края зоныпроводимости Ec (в случае дырочной проводимости концентрация дырок определяетсяположением Ef относительно края валентной зоны Ev), а именноl d ∼u−^8 − ^tv .rdТаким образом, для температурной зависимости проводимости можно получитьвыражениеσ* d = µ d l d = σ0где σo – независящий от температуры параметр.Величина Ec-Ef−i@ iw -ixjk,(3.5)может зависеть от температуры.

Поскольку, температурнаязависимость проводимости в исследованной области температур имеет активационныйхарактер, то можно предположить, что в данной температурной области, зависимостьEc-Ef описывается линейным законом, то есть103^8 − ^t = ^8 − ^t0− δd,(3.6)где δ - независящий от температуры параметр, а (Ec-Ef)0 – значение Ec-Ef, получаемоепри экстраполяции зависимости (3.6) к T=0 Можно предположить, что в nc-Si:H, как и вслучае a-Si:H [174], из-за статистического сдвига уровня Ферми, величина (Ec-Ef)0 небудет равна энергетической разности Ec-Ef при T=0 К.

То есть формула (3.6), повидимому, не применима в области низких температур (вблизи T=0 K). Подставляя (3.6)в (3.5), получимσ* d = σ0−δk^8 − ^t 0 + ^P.rdТаким образом, из эксперимента мы получаем энергию активации^R = ^8 − ^t0+ ^P .(3.7)^R = ^t − ^y0+ ^P .(3.8)Очевидно, что в случае пленок p-типа энергия активацииТемпературная зависимость проводимости позволяет также получить зависимостьположения уровня Ферми (Ec-Ef) от температуры.

Значение Ec-Ef можно получить изформулы (3.5), если пренебречь величиной Eb, которая, согласно [158], существенноменьше, чем Ec-Ef (Eb≈0.05-0.08 эВ). Однако, остается открытым вопрос о том, какоезначение брать в качестве σo. В случае a-Si:H под параметром σo понимаютминимальную металлическую проводимость, значение которой полагают равнымσo=150-200 Ом-1см-1 [149,175]. В связи с тем, что nc-Si:H как и a-Si:H являетсянеупорядоченным материалом, в своих расчетах мы использовализначениеσo=150 Ом-1см-1.На рис. 3.4 представлены температурные зависимости Ef-Ev (а) и Ec-Ef (b) для всехисследованных пленок nc-Si:H, рассчитанные по формуле (3.6) без учета высотыпотенциального барьера Eb. Как видно из рисунка 3.4, уровень Ферми для образцов № 1,3, 4, 5 (из таблицы 1.1) одинаково смещается с увеличением температуры и стремитсяприблизительно к центру запрещенной зоны. В случае a-Si:H, при температурах,меньших температуры “замерзания” структуры, то есть когда плотность состояний вщелиподвижностинеизменяется,зависимостиEc-Ef иEf-Evопределяютсястатистическим сдвигом уровня Ферми [176].

При этом уровень Ферми смещается кминимуму плотности состояний с ростом температуры. Если предположить, чтозависимость положения уровня Ферми от температуры в nc-Si:H определяется104аналогично случаю a-Si:H, то и для nc-Si:H уровень Ферми смещается в область снаименьшей плотностью состояний. Из рисунка 3.4 следует, что для образцов № 1, 3, 4,5 (из таблицы 1.1) уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны.Следовательно, минимум плотности состояний для этих образцов может находитьсяприблизительно в середине запрещенной зоны nc-Si:H. В случае образцов № 2 и № 6 (изтаблицы 1.1) уровень Ферми находится примерно в середине запрещенной зоны ипрактически не изменяет своего положения при изменении температуры.

Это указываетна то, что и для этих образцов минимум плотности состояний находитсяприблизительно в середине запрещенной зоны. В связи со всем сказанным выше можнозаключить, что если зависимость положения уровня Ферми от температуры в nc-Si:Hдействительно определяется распределением плотности состояний в запрещенной зоне,то в nc-Si:H имеется минимум плотности состояний, который находится примерно всередине запрещенной зоны nc-Si:H на расстоянии 0.4-0.7 эВ от потолка валентнойзоны.Как уже отмечалось, в работах [103,104] на основании анализа данных по ЭПРговорится о том, что в запрещенной зоне nc-Si:H имеется распределение оборванныхсвязей с постоянной плотностью состояний, расположенных на границах колоннмикрокристаллов. На это указывают и наши измерения спектральных зависимостейкоэффициента поглощения nc-Si:H с различным положением уровня Ферми (см.

пункт2.3). Однако, наши измерения зависимостей Ec-Ef и Ef-Ev от температуры указывают насуществование в nc-Si:H минимума плотности состояний.0 .60 .6ba30 .520 .5Ef-Ev, eV650 .4Ec-Ef, eV40 .40 .310 .3100200300T, K4005001002003004000 .2500T, KРис. 3.4. Зависимости положения уровня Ферми Ef относительно валентной зоны Ev для nc-Si:H p-типа(а) и зоны проводимости Ec для nc-Si:H n-типа (b) от температуры. Цифры на рисунке соответствуютномерам образцов из таблицы 1.1.105По нашему мнению, смещение уровня Ферми с температурой происходит восновном внутри колонн нанокристаллов, а не на их поверхности, посколькуконцентрация дефектов на поверхности колонн весьма высока.

Поэтому, минимумплотности состояний, о котором свидетельствуют зависимости положения уровняФерми от температуры, по-видимому, находится внутри колонн нанокристаллов, в товремя как поглощение в “дефектной” области nc-Si:H определяется состояниями награницах колонн нанокристаллов. Более того, как уже отмечалось, в связи с тем, чтодоля кристаллической фазы в исследованных пленках nc-Si:H велика, перенос носителейможет осуществляться по колоннам нанокристаллов. Поэтому оборванные связи награницах колонн с аморфной фазой или порами не оказывают существенного влиянияна наблюдаемые смещения уровня Ферми при изменении температуры.Таким образом, зависимость положения уровня Ферми от температуры и саматемноваяпроводимость,по-видимому,определяютсяплотностьюэлектронныхсостояний внутри колонн нанокристаллов, а не на их границах. Можно предположить,что внутри запрещенной зоны колонны из нанокристаллов имеются хвосты плотностисостояний, обязанные своим происхождением напряженным и растянутым связям Si,которых много на границах нанокристаллов.

Характеристики

Список файлов диссертации