Диссертация (1097807), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Тогда из рисунка 3.13 следует, что для образцов,облученных при плотности энергии лазерных импульсов менее 65 мДж/см2, уровеньФерми отстоит от края зоны проводимости a-Si:H приблизительно на 0.7 – 0.75 эВ прикомнатной температуре. Если теперь предположить, что транспорт носителей заряда вобразцах, облученных при плотности энергии более 90 мДж/см2, осуществляется покристаллической части пленки, то вычисленные значения энергии активации указываютна расположение уровня Ферми на 0.45 – 0.5 эВ ниже края зоны проводимости в данномслучае, что в сумме со значением энергетического барьера на гетерогранице как разбудет составлять 0.65 – 0.75 эВ. Таким образом, данный факт также подтверждаетпредположение о том, что при достижении плотности энергии используемых дляоблучения пленок a-Si:H лазерных импульсов 90 мДж/см2 происходит смена путипереноса носителей заряда с аморфной части пленки на ее кристаллизованную часть.118Как уже сообщалось, воспользовавшись формулой (3.5), в пренебрежениипотенциальными барьерами, возможно существующими на границах нанокристаллов,можно определить температурную зависимость уровня Ферми относительно дна зоныпроводимости Ec-Ef.
На рисунке 3.15 показано изменение положения уровня Фермиотносительно дна зоны проводимости с температурой для исследованных образцов,полученное из температурных зависимостей проводимости. Отметим, что проведенныерасчеты справедливы для области температур, в которой перенос носителей происходитпо делокализованным состояниям, а значение σo, фигурирующее в формуле (3.5) попрежнему было выбрано равным 150 Ом-1см-1.
Как видно из рисунка, уровень Фермидля пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами с плотностьюэнергии от 90 до 135 мДж/см2, находится на 0.2 – 0.3 эВ ближе к краю зоныпроводимости по сравнению с пленками, облученными лазерными импульсами сплотностью энергии менее 65 мДж/см2.Рис.
3.15. Температурные зависимости положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимостидля пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами. Номера на рисункесоответствуют образцам, облученным с различной плотностью энергии: 0 мДж/см2 (1), 40 мДж/см2 (2),65 мДж/см2 (3), 90 мДж/см2 (4), 110 мДж/см2 (5), 135 мДж/см2 (6).Как уже было отмечено, в случае a-Si:H, при температурах, меньших температуры«замерзания» структуры, то есть когда плотность состояний в щели подвижности неизменяется, зависимость (Ec – Ef) определяется статистическим сдвигом уровня Ферми.При этом уровень Ферми смещается к минимуму плотности состояний с ростом119температуры.
Если предположить, что зависимость положения уровня Ферми оттемпературы в nc-Si/a-Si:H определяется аналогично случаю a-Si:H, то и для nc-Si/a-Si:Hуровень Ферми смещается в область с наименьшей плотностью состояний. Из рис. 3.15следует, что для образцов 1 – 3 минимум плотности состояний находится на уровне 0.73– 0.75 эВ от дна зоны проводимости и для образцов 1, 2 практически не изменяет своегоположения при изменении температуры. Это указывает на то, что для этих образцовминимум плотности состояний находится приблизительно в середине запрещеннойзоны.
В случае образцов 4 – 6 уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны.Следовательно, минимум плотности состояний для этих образцов может находитьсяприблизительно в середине запрещенной зоны nc-Si/a-Si:H.Интересной представляется зависимость изменения темновой проводимости отдоли кристаллической фазы в пленках a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами. Данная зависимость показана на рисунке 3.16. Как видно из рисунка,проводимость пленок σd резко возрастает (более чем на 4 порядка величины) при долекристаллической фазы ~7 – 8 %.
Данный рост проводимости, как было показано выше,связан со сменой пути переноса носителей заряда по аморфной части пленки на ихперенос по кремниевым нанокристаллам. Если в пленке аморфного кремнияприсутствуют нанокристаллы, то транспорт носителей заряда будет осуществляться поним в том случае, когда доля кристаллической фазы достигнет порога перколяции. Какизвестно, по теоретическим расчетам для бесконечной системы и случая жесткихпроводящих шариков данный порог равен 16 % [см., например, 191, 192]. В случае жеисследованных образцов пороговая доля кристаллической фазы (7 – 8 %) недостаточнадля теоритического преодоления порога перколяции. Данный результат представляетсянеобычным. Такое несоответствие может быть связано с частичной корреляцией врасположении кремниевых нанокристаллов в пленке [193].120Рис. 3.16.
Зависимость темновой проводимости пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО, от доликристаллической фазы.3.3. Методика измерений фотоэлектрических свойств пленок ncSi/a-Si:HИзмерения стационарной фотопроводимости, а также измерение люкс-амперныххарактеристик пленок nc-Si:H проводились на установке, блок-схема которойприведена на рис. 3.17. Образец (Rобр) помещался в азотный криостат, которыйпозволял варьировать температуру образца от 100 до 460 К и проводить измерения какпри атмосферном давлении, так и в вакууме (при давлении P≥10-3 Па).
Температураобразцаопределяласьс помощью термопары медь-константан, закрепленной наповерхности “свидетеля”, в качестве которого использовалась пластинка такого жеразмера и из того же материала, что и подложка образца. Последовательно к образцуподключался набор нагрузочных сопротивлений (Rнаг). Значения нагрузочныхсопротивлений можно было изменять в интервале Rнаг=100 кОм – 10 Гом. Напряжениеисточника питания (Uб) составляло 10 В.121КГМ-24-150Инфракрасныйспектрометр ИКС-6RобрВольтметрэлектрометрВ7-30UбRнагРис. 3.17. Блок-схема установки для проведения фотоэлектрических измерений в стационарном режиме:Rнаг – нагрузочное сопротивление, Ф – фотоприемник, Uб – источник питания, З – зеркало, Rобр –образец.Последовательно к образцу подключался набор нагрузочных сопротивлений (Rнаг).Значения нагрузочных сопротивлений можно было изменять в интервале Rнаг=100 кОм– 10 Гом. Напряжение источника питания (Uб) составляло 10 В.
Падение напряжения насопротивлении нагрузки (Uнаг) измерялось с помощью вольтметра-электрометра В7-30.В ходе измерений поддерживался режим постоянного поля, то есть выполнялосьусловие Rнаг<<Rобр. При измерении стационарной фотопроводимости в качествеисточника излучения использовалась кварцевая галогенная лампа (КГМ-24-150). Светот нее проходил через монохроматор спектрометра ИКС-6 и через окошко в криостатепопадал на образец. Монохроматор позволял изменять длину волны падающегоизлучения.
Помимо монохроматического света от спектрометра ИКС-6 стационарнаяфотопроводимостьизмеряласьпривозбужденииобразцаизлучениемGaAlAs122светодиода У-272 Б с энергией кванта hν=1.4 эВ и при возбуждении белым светомлампы накаливания с интенсивностью I=50 мВт/см2 (на блок-схеме не показано).Темновая проводимость образца (σd) и проводимость образца при освещении (σill)определялись по формуле:σ*,: =}нагWнаг~,Wб − Wнаг •Vгде l – расстояние между контактами образца, H – длинаконтактов, D – толщинапленки. Величина фотопроводимости (∆σph) определялась как разность σill и σd, то есть:∆σTU = σ: − σ* .Измерения стационарной фотопроводимости и люкс-амперных характеристикпроводились в области температур 115-400 К и при различных энергиях кванта (hν=0.91.8 эВ). Для измерения люкс-амперных характеристик интенсивность падающего наобразец света варьировалась изменением напряжения, подаваемого на галогеннуюлампу.При проведении исследований влияния длительного освещения на проводимость ифотопроводимость пленок nc-Si:H в качестве источника излучения использоваласьлампа накаливания (I=50 мВт/см2).
Свет от лампы накаливания падал на образец,проходя через тепловой фильтр.Блок-схема установки для измерения переходных процессов (релаксациифотопроводимости и времени фотоответа) приведена на рис. 3.18. Переходныепроцессы измерялись в области температур T=150-450 K. Для этого образец (Rобр)помещался в азотный криостат.
Последовательно с образцом включалось нагрузочноесопротивление Rнаг. Напряжение батареи (Uб) составляло 10 В. Возбуждениеисследуемой пленки осуществлялось либо излучением диода У-272 Б с hν = 1.4 эВ,либо излучением трех светодиодов АЛ310Б с hν = 1.8 эВ. Спад фотопроводимостирегистрировался при выключении светодиодов с помощью цифрового запоминающегоосциллографа С9-8, на который поступал сигнал с сопротивления нагрузки (Rнаг).Величина Rнаг выбиралась таким образом, чтобы RC цепи не искажало измеряемогосигнала. Используемая нами схема позволяла регистрировать быстропротекающиепроцессы с характерными временами превышающими 50 мкс.
Для измерениятемпературы исследуемого образца использовалась термопара медь-константан.123ДRобрзапоминающийосциллографС9-8UбRнагРис. 3.18. Блок-схема установки для измерений релаксации фотопроводимости: Rобр – образец, Uб –источник питания, Rнаг – нагрузочное сопротивление, Д – набор светодиодов.Часторелаксацияфотопроводимостипленокнеописываетсяпростымэкспоненциальным законом. В связи с этим возникает вопрос о том, какое времяпринимать за время фотоответа (τph). В общем случае время фотоответа зависит отинтенсивности падающего на образец излучения и изменяется с течением времени.
Прилюбомхарактеререкомбинацииспадфотопроводимостиможноописатьдифференциальным уравнением (см., например,[194])7 ∆σTU∆σTU=−,7€•мгнгде τмгн – мгновенное значение времени жизни, определяемое выражением•мгн = −*∆σTU*m∆σTU.Поэтому в нелинейном случае релаксационный процессхарактеризуетсябесконечным набором значений τмгн. Однако, одно из них имеет особое значение. Речьидет о времени фотоответа в стационарном состоянии τст, которое определяетсявыражением [194,195]•ст = −∆󅆇∆σ…† ‰‡ˆˆŠ5.(3.9)124В связи со всем сказанным выше мы принимали за время фотоответа (τph) времяфотоответа в стационарном состоянии, то есть τph=τст. Определенное таким образомвремя фотоответа определялось из зависимости спада фотопроводимости в моментвремени, соответствующий выключению освещения.Поскольку определяемое по формуле (3.9) время фотоответа соответствуетвремени фотоответа в стационарном состоянии, то зная τph и ∆σph можно определитьзначение дрейфовой подвижности µd.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
