Диссертация (1097807), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Можно предположить, что уменьшение значение ∆σph по сравнению сa-Si:H при небольшой доле кристаллической фазы связано с появлением при введениинанокристаллов в аморфную матрицу новых центров, которые изменяют процессырекомбинации и уменьшают время жизни неравновесных носителей заряда. При этом130энергетические состояния данных центров должны быть расположены в верхнейполовине щели подвижности, выше уровня Ферми, чтобы не давать вклад в поглощение.На рис.
3.22 представлены данные по фотопроводимости, измеренной при энергиипадающих квантов hν = 1.8 эВ и интенсивности падающего света 1014 см-2·с-1, образцовnc-Si/a-Si:H, полученных путем фемтосекундной лазерной кристаллизации аморфногокремния, в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов. Для пленок,облученных при плотности энергии 40 и 65 мДж/см2, в которых, согласно спектрамрамановского рассеяния света, не происходит существенного изменения структуры,наблюдается небольшой (в пределах одного порядка) спад фотопроводимости посравнению с необлученной пленкой.
Это может быть связано с увеличением врезультате наноструктурирования концентрации основных центров рекомбинации в aSi:H – оборванных связей. Для образца, облученного при плотности энергии 90мДж/см2, наблюдаемое изменение (увеличение) фотопроводимости в результателазерногооблученияможетбытьсвязанокаксизменениемконцентрациирекомбинационных центров, так и с изменением пути переноса неравновесныхносителей заряда в результате изменения структуры материала.
Фотопроводимостьобразцов, полученных при больших плотностях энергии в импульсе, при этом падает.Данный спад фотопроводимости, по-видимому, связан с началом процесса спалляции,то есть возникновением макроскопических дефектов в пленке.Рис. 3.22. Зависимость фотопроводимости пленок a-Si:H, подвергнутых лазерной кристаллизации, отплотности энергии лазерных импульсов.131На рисунке 3.23 показаны зависимости фоточувствительности (отношения ∆σph/σd)для пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методами PECVD и фемтосекундной лазернойкристаллизации аморфного кремния, от доли кристаллической фазы. Фотопроводимостьдля указанных двух наборов пленок определялась в одинаковых условиях: энергиипадающих квантов света hν = 1.8 эВ, а интенсивности падающего света составляла1014 см-2·с-1.Длясравнениянарисункепредставлена3.23величинафоточувствительности и для пленки a-Si:H.61012a-Si:H4∆σph/σd10210010-21001020304050607080XcРис.
3.23. Зависимости отношения ∆σph/σd от доли кристаллической фазы для пленок nc-Si/a-Si:H,полученных методами фемтосекундной лазерной кристаллизации аморфного кремния (1) и PECVD (2).Из рисунка 3.23 видно, что в случае пленок nc-Si/a-Si:H, полученных путемфемтосекундной лазерной кристаллизации аморфного кремния, фоточувствительностьмонотонно убывает с увеличением доли кристаллической фазы. В случае же пленок ncSi/a-Si:H, полученных методом PECVD, введение небольшой доли нанокристалловвначале увеличивает фоточувствительность (по сравнению с a-Si:H), однако дальнейшееувеличение кристаллической фазы приводит к уменьшению величины ∆σph/σd.
Заметим,что фоточувствительность пленок nc-Si/a-Si:H, полученных путем фемтосекунднойлазерной кристаллизации аморфного кремния, меньше фоточувствительности пленок,полученных с помощью PECVD.Из представленных данных следует, что фоточувствительность пленок nc-Si/a-Si:Hсильно зависит от метода получения пленок. Этим фактом может объяснятьсянесовпадение между собой имеющихся в литературе данных, полученных разными132авторами [197,201], о зависимости фоточувствительности от доли кристаллическойфазы.3.5. Фотоэлектрические свойства пленок nc-Si:HПожалуй, наибольшие дискуссии в литературе, вызвали вопросы о механизмах,определяющих стационарную и нестационарную фотопроводимость nc-Si:H. Согласноформуле (3.10), стационарная фотопроводимость (∆σph) любого полупроводникаопределяется дрейфовой подвижностью, временем фотоответа и темпом генерации.Значение дрейфовой подвижности носителей в пленках nc-Si:H зависит от условийполучения пленки, в частности, от доли водорода в газовой смеси, и при комнатнойтемпературе лежит в пределах от нескольких десятых до нескольких единиц см2/В·с[117,204].
Помимо условий получения пленок nc-Si:H, измеряемое значение дрейфовойподвижности может зависеть от используемого метода измерения. Так прииспользовании время-пролетной методики (TOF), на значение дрейфовой подвижностив nc-Si:H может оказывать влияние изменение поверхностной проводимости пленки засчет адсорбции на нее кислорода, если измерения проводятся на воздухе. Прииспользовании методики экстракции носителей, вызванной линейно нарастающимнапряжением (CELIV), завышенное значение дрейфовой подвижности может бытьсвязано с завышенными оценками емкости образца. Авторы [173], используя методикуCELIV, нашли, что в nc-Si:H со слабо выраженной проводимостью как p- так и n-типа,дрейфовая подвижность основных носителей ниже, чем в собственном nc-Si:H.Причем, подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. По данным,полученным из TOF [117], дрейфовая подвижность у электронов примерно в два разавыше, чем у дырок, а согласно работе [205], где подвижности электронов и дыроканализировались из данных по кинетике спада фотопроводимости, отношениеподвижностей достигало ∼10.Дрейфовая подвижность носителей в nc-Si:H является функцией температуры.
Вобласти температур T≈300-400 K, зависимость µd(T) имеет активационный характер[117,202]. Значение энергии активации дрейфовой подвижности носителей в nc-Si:Hзависит от содержания водорода в газовой смеси (∆H) в процессе получения пленки а,именно, уменьшается с увеличением ∆H. При этом энергия активации дрейфовой133подвижности для дырок ниже, чем для электронов [117,166]. Кроме того, в работе [166]сообщается о том, что при доле водорода в газовой смеси ∆H≈0.988, дрейфоваяподвижность носителей в nc-Si:H не увеличивается, а уменьшается с ростомтемпературы.
Однако, авторы работы [166] не дают однозначной интерпретациинаблюдаемомуимиуменьшениюдрейфовойподвижностидыроксростомтемпературы.До настоящего времени отсутствует единая точка зрения о том, чем определяетсяэнергия активации и значение дрейфовой подвижности носителей в nc-Si:H. При малойдоле кристаллической фазы, согласно [117,166,206], ширина потенциальных барьеровна границах колонн велика и, следовательно, вероятность туннелирования мала.
Приэтом, по мнению авторов [166], возможен лишь надбарьерный перенос носителей, ипоэтому значение энергии активации дрейфовой подвижности определяется высотойпотенциальных барьеров. При увеличении доли кристаллической фазы, размерыпотенциальных барьеров уменьшаются, и носители могут туннелировать сквозьбарьеры. В этом случае авторы [166] считают, что энергия активации дрейфовойподвижности определяется рассеянием носителей заряда на колебаниях решетки иуменьшается с увеличением температуры. Однако, авторы [206], пришли кзаключению, что на подвижность носителей в nc-Si:H потенциальные барьеры неоказывают влияния и дрейфовая подвижность определяется, главным образом,захватом носителей на состояния ловушек в аморфной фазе, присутствующей междуколоннами.
Существует также мнение, что вклад в энергию активации дрейфовойподвижности могут давать потенциальные барьеры на границах кристаллической иаморфной фаз [167,168].Время фотоответа (τph) определяется процессами захвата и рекомбинациинеравновесных носителей. Анализируя данные по фотопроводимости пленок nc-Si:H,авторы работ [168,207] заметили, что процессы рекомбинации неравновесных носителейв nc-Si:H зависят от величины энергии кванта возбуждающего излучения, падающего наобразец. Для объяснения этого факта в работах [104,207] предложена энергетическаязонная диаграмма nc-Si:H, в которой учитывается, что nc-Si:H содержит колонны изнанокристаллов c-Si и аморфную фазу, скорее всего a-Si:H (см.
рис. 3.24). Посколькуширина запрещенной зоны для колонн из нанокристаллов c-Si была принята равной 1.1эВ, а для a-Si:H – 1.75 эВ, то на границах между колоннами и аморфной фазой должны134существовать потенциальные барьеры. В рассматриваемой работе предположено, чтовысота потенциальных барьеров в зоне проводимости больше чем в валентной зоне. Дляa-Si:H используется стандартная модель плотности состояний, а именно предполагается,что в щели подвижности a-Si:H имеются состояния хвостов валентной зоны и зоныпроводимости, а также в области середины щели подвижности находятся дефекты типаоборванныхсвязей.соответствующейВколоннезапрещеннойиззоненанокристалловнаc-Si,энергетическойиз-заналичиядиаграмме,различныхнесовершенств и беспорядка структуры авторами [104,207] предполагается наличиесостояний дефектов типа оборванных связей, расположенных примерно в серединезапрещенной зоны, и состояний хвостов зон (на.
рис. 6.1 не показаны). Поэтому привозбуждении носителей светом с энергией кванта hν>1.75 эВ (рис. 3.24 (а)),создающиеся электроны и дырки могут, преодолев потенциальные барьеры, попасть вобласть аморфного кремния, где может произойти либо их захват на состояния хвостовзон, либо рекомбинация через оборванные связи.
При этом, в указанных работах, неисключается возможность рекомбинации носителей и непосредственно внутри колонн.С другой стороны, согласно [104,243], при энергиях квантов света hν<0.67 эВ (рис. 3.24(b)), электроны не в состоянии преодолеть потенциальные барьеры, и поэтому дырки,попавшиеваморфнуюфазу,оказываютсяпространственноразделеннымисэлектронами, что может приводить к увеличению времени жизни носителей и,следовательно, к увеличению времени фотоответа.Рис. 3.24.
Энергетическая диаграмма гетероперехода c-Si/a-Si:H и механизмы рекомбинациинеравновесных носителей заряда в nc-Si:H при освещении светом с hν>1.75 эВ (а) и hν<0.67 эВ (b) [104].Авторы работы [208] считают, что механизмы рекомбинация неравновесныхносителей в нелегированных пленках nc-Si:H различны для температур больших и135меньших 50 K. И в том и в другом случае основными центрами рекомбинации, согласно[208], являются нейтральные оборванные связи кремния. Однако, при T>50 K электронызахватываются на оборванные связи из зоны проводимости и рекомбинируют там сдыркой, в то время как при T<50 K имеет место туннельный механизм захватаэлектронов из хвоста зоны проводимости и дырки из валентной зоны на нейтральныеоборванные связи Si. Кроме того, авторы [208] считают, что при T<50 K возможна, хотяи менее вероятна, излучательная туннельная рекомбинация электрона из хвоста зоныпроводимости с дыркой из хвоста валентной зоны без участия оборванных связей.Авторы работ [209,210] обнаружили, что произведение µdτph зависит от положенияуровня Ферми и концентрации дефектов в nc-Si:H и практически не зависит от формы иразмеров нанокристаллов.
Концентрация дефектов, положение уровня Ферми, форма иразмер нанокристаллов, в исследованных в работах [209,210] пленках nc-Si:H,варьировались за счет изменения условий получения nc-Si:H (мощности разряда иконцентрации водорода). В работе [209] сообщается о том, что с увеличениемконцентрации дефектов, о котором авторы работы судили по увеличению коэффициентапоглощения nc-Si:H в “дефектной” области спектра (при hν=0.8 эВ), произведение µdτphуменьшается. Авторы работы [210] заметили, что характер изменения произведенияµdτph от положения уровня Ферми в nc-Si:H такой же как и в a-Si:H.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
