Диссертация (1097807), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Также в середине запрещенной зоныколонны может присутствовать небольшая плотность состояний, соответствующихоборванным связям, которые возникают на границах нанокристаллов друг с другом.Рассмотрим зависимость величины проводимости исследованных пленок nc-Si:Hот положения уровня Ферми в запрещенной зоне. Как уже отмечалось нелегированныйnc-Si:H, полученный методом PECVD, обладает проводимостью n-типа, что связано снеконтролируемым введением кислорода в пленки в процессе их получения.
Атомыкислорода выступают в качестве доноров и смещают уровень Ферми к зонепроводимости. Легирование таких пленок бором приводит к смещению уровня Ферми квалентной зоне и при больших концентрациях бора (>1017 см-3) изменяет типпроводимости nc-Si:H. На рис. 3.5 показано как зависит проводимость (при комнатнойтемпературе) пленок nc-Si:H, полученных методом PECVD (1) и методом ECRCVD (1ı)от положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости (Ec-Ef).1061 0 -3σ , S/cmd1 0 -411 0 -51'1 0 -61 0 -70 .30 .40 .50 .60 .70 .8E c -E f , e VРис.
3.5. Зависимость проводимости при комнатной температуре пленок nc-Si:H, полученных методомPECVD с различным уровнем легирования бором (1) и ECRCVD (1ı) от положения уровня Ферми (Ef)относительно края зоны проводимости (Ec).В отличие от нелегированных пленок nc-Si:H, полученных методом PECVD,нелегированные пленки nc-Si:H, полученные ECRCVD методом, не обладают столь ярковыраженной проводимостью n-типа. Как показали измерения, уровень Ферми у этихпленок находится примерно в середине запрещенной зоны.
Это может быть связано стем, что в случае метода ECRCVD не происходит неконтролируемого введениякислорода в пленку в процессе ее получения. Как видно из рис. (3.3 и 3.5) темноваяпроводимость и ее температурная зависимость для пленок nc-Si:H, полученных разнымиметодами (PECVD и ECRCVD), но с примерно одинаковыми положениями уровняФерми практически не различаются.На рис. 3.6 показаны температурные зависимости темновой проводимости (σd)пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методом PECVD, при различных значениях R (образцыиз таблицы 1.2).
Как видно из рисунка, температурные зависимости σd исследованныхпленок в области высоких температур имеют активационный характер. С ростомстепени разбавления R, а, следовательно, и с ростом доли кристаллической фазы впленках, проводимость пленок возрастает, а значение энергии активации уменьшается.Можно предположить, что рост проводимости с увеличением R связан с вкладом впроводимость процесса переноса носителей заряда по кремниевым нанокристаллам.107Принизкихтемпературахнаблюдаетсянекотороеотклонениетемпературныхзависимостей от активационного закона. Это может быть связано с переносом носителейзаряда за счет прыжков по локализованным состояниям, как это уже и отмечалось вработах [171,172].Зависимость проводимости, измеренной при комнатной температуре, от R дляпленок nc-Si/a-Si:H, полученных методом PECVD, показана на рисунке 3.7.-2R5R8R11R15R16R4010-4σd, Ω см-110-6−110-810-1010-12102345678910-11000/T, KРис.
3.6. Температурные зависимости темновой проводимости nc-Si/a-Si:H, полученных методомPECVD, при различных значениях R (образцы из таблицы 1.2).-210-410-610-8−1σd, Ω см-11010-10510152025303540RРис. 3.7. Зависимости от степени разбавления R темновой проводимости σd, измеренной при комнатнойтемпературе, пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методом PECVD.108Максимальное увеличение темновой проводимости наблюдается при увеличении Rот 11 до 16, что соответствует, согласно результатам оценки доли кристаллической фазы(рис. 1.7), области изменения структуры пленок от аморфной к нанокристаллической.Следует отметить, что, как видно из рисунка 3.7, введение нанокристаллов кремния ваморфную матрицу заметно (на несколько порядков) изменяет величину темновойпроводимости.3.2.
Проводимостьпленокa-Si:H,подвергнутыхлазернойкристаллизацииСтруктурные изменения в пленках a-Si:H, вызванные лазерным облучением, ведутк изменению их электрических и фотоэлектрических свойств. Однако литературныхданных по исследованию указанных свойств не так много, как по исследованиюмодификации структурных свойств.Было обнаружено, что темновая проводимость пленок a-Si:H, кристаллизованныхнаносекундными лазерными импульсами, возрастает с увеличением плотности энергиилазерных импульсов, использованных для облучения, более чем на 5 порядков величины(рис.
3.8) [12, 177, 178].В случае легированных фосфором пленок a-Si:H наблюдается ярко выраженныйпорог по плотности энергии лазерных импульсов, при котором проводимость пленокрезко возрастает. Как видно из рисунка 3.8, при уменьшении степени легированияпленок a-Si:H фосфором от 10-2 до 10-4 молярной доли фосфора данный порогувеличивается с 85 до 135 мДж/см2.
При облучении пленок a-Si:H с плотностямиэнергии более 0,5 Дж/см2 (порог абляции для c-Si) сопротивление пленок резкоувеличивается, что вызвано процессом абляции пленок [178].109Рис. 3.8. Зависимость темновой проводимости облученных пленок a-Si:H, как нелегированных, так илегированных фосфором (с молярной долей фосфора 10-2, 10-3 и 10-4) от плотности энергии лазерныхимпульсов [178].В работе [179] рассмотрено влияние плотности энергии и числа лазерныхимпульсов на темновую проводимость. На рисунке 3.9 представлена зависимостьтемновой проводимости при комнатной температуре пленок a-Si:H, облученныхнаносекундными лазерными импульсами, от плотности энергии лазерных импульсов иот числа импульсов со средней плотностью энергии 80 мДж/см2, 110 мДж/см2 и 130мДж/см2.
Из рисунка видно, что темновая проводимость пленок a-Si:H, облученныхединичными импульсами с плотностью энергии более 90 мДж/см2, возрастает более чемна 5 порядков величины по сравнению с проводимостью исходной пленки a-Si:H. Приоблучении пленок a-Si:H лазерным импульсом с плотностью энергии 80 мДж/см2проводимость возрастает до ≈10-6 Ом-1см-1 и практически не изменяется при увеличениичисла импульсов.110Рис. 3.9. Зависимость темновой проводимости при комнатной температуре пленок a-Si:H, облученныхнаносекундными лазерными импульсами, от плотности энергии лазерных импульсов (верхняя шкала,черные круги) и от числа импульсов (нижняя шкала) со средней плотностью энергии 80 мДж/см2(круги), 110 мДж/см2 (квадраты) и 130 мДж/см2 (треугольники) [179].При использовании для облучения пленок одиночных импульсов с плотностьюэнергии ≥110 мДж/см2 проводимость пленок возрастает до приблизительно 10-4 Ом-1см-1.Однако проводимость таких пленок падает до 10-6 Ом-1см-1 при увеличении числаимпульсов.
Авторы работы [179] предлагают следующую модель для объясненияпредставленных на рис. 3.9 данных. При облучении пленки a-Si:H одиночным лазернымимпульсом в ней создается дополнительное число дефектов, причем структура пленкиостается аморфной. Увеличение числа дефектов открывает новый (прыжковый) путьпереноса носителей и проводимость возрастает. Увеличение числа импульсов приоблучении пленок a-Si:H приводит к их кристаллизации.
При этом значенияпроводимости опускаются до 10-6 Ом-1см-1, типичного для nc-Si:H, содержащегобольшую объемную долю нанокристаллов в своей структуре. На наш взгляд, такоеобъяснение нельзя считать удовлетворительным, так как по данным [149] в аморфномкремнии проводимость по локализованным состояниям при комнатной температуре поабсолютной величине не превышает проводимость по делокализованным состояниям(проводимость по зоне).111Подвижность носителей заряда в пленках a-Si:H, облученных наносекунднымилазерными импульсами, была исследована в работе [180].
На рисунке 3.10 представленазависимость подвижности электронов и дырок в облученных пленках a-Si:H отплотности энергии лазерных импульсов. Как видно из рисунка, представленныезависимости для подвижностей электронов и дырок имеют схожий характер. Для двухнаиболее толстых образцов (толщиной 80 и 145 нм) можно выделить три режима (нарисунке обозначены римскими цифрами I, II, III).Рис. 3.10. Зависимость подвижности электронов (а) и дырок (b) в облученных пленках a-Si:H отплотности энергии лазерных импульсов. Зависимости представлены для четырех толщин пленок: 29 нм(квадраты), 40 нм (кресты), 80 нм (полные круги) и 145 нм (открытые круги) [180].С помощью просвечивающей электронной микроскопии авторы [180] установили,что режим I (рис.
3.10) соответствует кристаллизации пленок. Причем в пленкеобразуются нанокристаллы размером менее 50 нм. Из рис. 3.10 следует, что режим I независит от толщины исходной пленки. Режим II соответствует режиму насыщения. Вэтом случае, по-видимому, доля кристаллической фазы в пленке не изменяется, апроисходит незначительный рост поперечных размеров нанокристаллов. В случаережима III происходит резкий рост размеров нанокристаллов. Было установлено, чтосредний размер нанокристаллов равен приблизительно 300 нм, что больше толщиныисследованных пленок.112Температурные зависимости темновой проводимости пленок a-Si:H, осажденныхпри разных температурах и облученных лазерными импульсами с плотностью энергии12 Дж/см2, обсуждались в работе [181].
Было показано, что при высоких температурахпроводимость носит активационный характер, который изменяется при понижениитемпературы. Такое изменение предполагает наличие более чем одного механизмапроводимости в пленках. Экспоненциальная часть зависимости, по мнению авторов[181], соответствует проводимости по делокализованным состояниям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
