Диссертация (1097807), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Принизких температурах основная часть неосновных носителей заряда (в рассматриваемомслучаеэлектронов)находитсявпотенциальныхямахнаграницахколонннанокристаллов с аморфной фазой, порами и друг с другом (см. рис. 3.34). При низкихтемпературах энергия основных носителей заряда (в рассматриваемом случае дырок)недостаточнадляпреодоленияпотенциальныхбарьеровнаграницахколонннанокристаллов с a-Si:H или с порами. Это затрудняет рекомбинацию дырок сзахваченными на граничные состояния электронами. Поэтому рекомбинация можетпроисходить в результате процесса туннелирования основных носителей под барьер.Таким образом, рекомбинация неравновесных носителей в nc-Si:H при низкихтемпературах имеет туннельный характер.
Именно с туннельным характеромрекомбинации, по-видимому, связан тот факт, что в области низких температур τphпрактически не зависит от температуры (см. рис. 3.32). Как отмечалось ранее, согласно[212], значение показателя ЛАХ может быть меньше 0.5, если предположитькомбинированный процесс рекомбинации, включающий как туннелирование носителейпод барьер, так и предварительную термическую активацию носителей. Поскольку длянаших пленок nc-Si:H показатель степени ЛАХ γ в области низких температур (вобласти температур где τph слабо зависит от температуры) меньше 0.5 (см. рис.
3.29), торекомбинация носителей при низких температурах, по-видимому, имеет не “чистый”туннельный характер, а определяется туннелированием основных носителей заряда(дырок) под барьер с учетом их предварительной термической активации. Это можетпривести к значения γ<0.5 и слабой зависимости τph от температуры (см рис.
3.29 и 3.32)в этой области температур.С ростом температуры активационный перенос основных носителей через барьерстановится преобладающим. Это может приводить к наблюдаемым при этихтемпературах уменьшению времени фотоответа τph и увеличению показателя степениЛАХ γ. При больших температурах (выше комнатной) может происходить активацияэлектронов из потенциальных ям вблизи поверхности колонн.
Соответственно при152высоких температурах возможно усиление рекомбинации носителей внутри колонннанокристаллов (процесс 1 на рис. 3.34).Предложенная модель позволяет также объяснить наблюдаемые зависимостифотопроводимости и времени фотоответа от положения уровня Ферми. Поскольку мыпредположили, что для рекомбинации неравновесных носителей заряда основнымносителям необходимо преодолеть потенциальный барьер на границе колоннынанокристаллов,товремяфотоответадолжнозависетьотвеличиныэтогопотенциального барьера. Чем больше потенциальный барьер, тем сложнее основнымносителям проникнуть к рекомбинационным центрам а, следовательно, тем больше τph.При смещении уровня Ферми к краям зон потенциальный барьер увеличивается,поскольку из-за большой концентрации локализованных состояний в щели подвижностиa-Si:H и на границах колонн с порами, уровень Ферми в этих областях смещаетсяслабее, чем в колоннах нанокристаллов.
В связи с этим время фотоответа должноувеличиваться при смещении уровня Ферми к краям зон, что и наблюдается вэксперименте. Из рис. 3.33 следует, что значение дрейфовой подвижности дляисследованных пленок nc-Si:H, полученных методом PECVD, с разным уровнемлегирования близки друг к другу. Поэтому представленная на рисунке 3.25 зависимость∆σph от Ef является следствием зависимости от положения уровня Ферми τph.Отметим, что неэкспоненциальный спад фотопроводимости nc-Si:H очевидносвязан с наличием в этом материале квазинепрерывного распределения уровнейприлипания (ловушек).
В качестве ловушек в принципе могут выступать хвостывалентной зоны и зоны проводимости колонн микрокристаллов, хвосты зон a-Si:H илокализованные состояния на границах колонн с порами. Однако, поскольку переносносителей происходит по колоннам нанокристаллов, то в качестве ловушек надорассматривать преимущественно хвосты зон колонн микрокристаллов - хвост валентнойзоны для дырок и хвост зоны проводимости для электронов. Выброс захваченныхносителей с этих состояний может привести к неэкспоненциальному и долговременномуспадуфотопроводимости.Тотфакт,чтосуменьшениемтемпературыспадфотопроводимости становится более медленным (см. рис. 3.31) может объяснятьсяувеличением значения τph с понижением температуры.Рассмотрим теперь данные, полученные нами для дрейфовой подвижностиносителей в пленках nc-Si:H.
В отличие от микроскопической подвижности дрейфовая153подвижность как и время фотоответа определяется не только переносом носителей позоне (делокализованным состояниям), но и захватом их на локализованные состоянияловушек. В случае одного уровня ловушек (уровня прилипания) значение дрейфовойподвижности(дляопределенностиэлектронов)определяетсявыражением(см,например, [215])•ˆµ* = µ J1 + •>@i@ iˆjk/DL ,(3.13)где Nt – концентрация уровней прилипания, Nc – эффективная плотность состояний взоне проводимости, Et – энергия уровня прилипания. В случае если концентрацияловушек велика (Nt>>Nc), выражение (3.13) можно упростить и записать в виде•µ* = µ •@>−ˆi@ iˆjkD,(3.14)В нашем случае, правда, имеется квазинепрерывное распределение ловушек(состояния хвостов зон колонн нанокристаллов).
Однако, и в этом случае можновоспользоватьсяформулами(3.13,если3.14),заменитьквазинепрерывноераспределение уровней одним эффективным уровнем. Можно показать, что введениеэффективного уровня прилипания возможно в том случае, если хвост зоны представитьсостоящим из линейного и экспоненциального участков [216]. Заметим, чтотемпературнаязависимостьдрейфовойподвижностиµd также может носитьактивационный характер за счет существования энергетического барьера на границахколонн нанокристаллов.
В этом случае энергия активации определяется высотойпотенциального барьера (см. пункт 3.1). Таким образом, энергия активации дрейфовойподвижности пленок nc-Si:H (в области температур где µd имеет активационныйхарактер) может определяться как высотой потенциального барьера (Eb), так и наличиемв запрещенной зоне эффективного уровня прилипания (Ec-Et) Поэтому энергияактивации дрейфовой подвижности, по-видимому, превышает величину потенциальногобарьера на границах колонн нанокристаллов. При увеличении температуры рост µdначинает ослабевать, и в областивысокихтемператур величина дрейфовойподвижности уменьшается. Это может быть связано с эффектами рассеяния носителейзаряда на тепловых колебаниях решетки, которые становятся существенными привысоких температурах.
По этой же причине, а также в результате уменьшения временифотоответа,привысокихтемпературахфотопроводимости (см. рис. 3.27, 3.28).можетнаблюдатьсяуменьшение1543.7. Выводы по главе 31. Установлено, что температурная зависимость темновой проводимости nc-Si:H вобласти температур T = 180-450 К имеет активационный характер. Активационныйхарактер темновой проводимости указывает на то, что в указанной области температурперенос носителей заряда осуществляется по делокализованным состояниям.
Энергияактивации темновой проводимости может определяться положением уровня Ферми ивысотой потенциальных барьеров на границах колонн микрокристаллов.2. Обнаружено, что в области температур T = 210-230 К изменяется характертемпературных зависимостей фотопроводимости и времени фотоответа пленок nc-Si:H.Это указывает на то, что при T = 210-230 К происходит изменение процессоврекомбинации неравновесных носителей. Установлено, что в области температурT < 210-230 К время фотоответа практически не зависит от температуры, а показательстепени люкс-амперной характеристики принимает значения γ < 0.5.
Это может бытьсвязано с тем, что при T < 210-230 К имеет место туннельный механизм рекомбинациинеравновесных носителей заряда в nc-Si:H.3. Установлено, что при объемной доле кристаллической фазы в облученныхфемтосекундными лазерными импульсами пленках a-Si:H порядка 7 % проводимостьпленок возрастает на несколько порядков. При этом наблюдаемая энергия активациипроводимости значительно уменьшается. Данные факты объясняются образованием впленке при указанной доле кристаллической фазы перколяционного пути, состоящего изкремниевых нанокристаллов, в связи с чем, перенос носителей заряда по аморфнойматрицесменяетсяихпереносомпокремниевымнанокристаллам.Отличиенаблюдаемого порога перколяции от теоретического может быть связано с частичнойупорядоченностью в расположении кремниевых нанокристаллов вдоль направлениясканирования лазерным лучом.4.Обнаружено,чтофотопроводимостьпленокa-Si:H,подвергнутыхфемтосекундному лазерному облучению, немонотонно зависит от объемной доликристаллическойфазы.Вначале,сувеличениемдолинанокристалловфотопроводимость уменьшается по сравнению с фотопроводимостью аморфногокремния.
Такое уменьшение может быть связано с увеличением концентрации дефектовтипа оборванных связей в процессе образования нанокристаллов, которое приводит куменьшению времени жизни неравновесных носителей. При доле кристаллической фазы155в районе 7 % фотопроводимость резко увеличивается. Увеличение фотопроводимостиможно связать с появлением возможности переноса фотогенерированных носителейзаряда по кремниевым нанокристаллам, что приводит к резкому возрастаниюподвижностифотогенерированныхносителей.Дальнейшееуменьшениефотопроводимости с ростом доли нанокристаллов в аморфной матрице может бытьсвязано с появлением дополнительных рекомбинационных центров за счет процессовспалляции и окисления пленки.5. На основании проведенных исследований предложена модель переноса ирекомбинации неравновесных носителей заряда в пленка nc-Si/a-Si:H, учитывающая ихмногофазную структуру.156ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НАОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАПЛЕНОК nc-Si:HИсследование таких внешних воздействий на оптические и фотоэлектрическиесвойства пленок nc-Si:H, как длительное освещение, высокотемпературный термическийотжиг и облучение электронами представляет интерес как с практической точки зрения,так и с фундаментальной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
