Диссертация (1097807), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Фундаментальная составляющая заключается в возможностиизменяя структуру материала за счет внешних воздействий, детально исследоватькорреляцию структурных, оптических и фотоэлектрических свойств. Так, например,облучение электронами полупроводников, в том числе и пленок nc-Si:H, можетпривести к созданию в них весьма значительной концентрации дефектов а,следовательно, появляется возможность исследовать влияние этих дефектов нафизические свойства полупроводников. Подобного рода исследования важны дляуточнения развитой модели переноса и рекомбинации носителей заряда в nc-Si/a-Si:H.Прикладная часть таких исследований связана с установлением возможностииспользования пленок nc-Si:H во внешних условиях. Действительно, как ужеотмечалось, nc-Si:H является перспективным материалом для использования втонкопленочной солнечной энергетике.
Известно, что a-Si:H, изменяет свои свойствапод действием длительного освещения (так называемый эффект Стеблера-Вронского).Выяснение стабильности к световому воздействию параметров nc-Si:H является однойиз важнейших задач для технических приложений. Исследование влияния облучениязаряженными частицами на свойства nc-Si:H могут быть важными с точки зренияоценки эффективности работы приборов на основе nc-Si:H в космическом пространстве.В данной главе анализируются природа, местоположение и возможные механизмыобразования дефектов в nc-Si:H, созданных в результате длительного освещения,высокотемпературного термического отжига и облучения электронами. Подробнорассматриваются вопросы о влиянии созданных дефектов на механизмы переноса ирекомбинации носителей заряда. В начале каждого пункта данной главы краткоизлагаются основные литературные данные, известные на момент постановки задачи, изанализа которых вытекают вопросы, решаемые в данной главе.1574.1.
Влияниетермическогоотжиганаоптическиеифотоэлектрические свойства пленок nc-Si:HВысокотемпературный термический отжиг пленок nc-Si:H приводит к эффузииводорода из пленки [217]. Максимальная скорость эффузии водорода из nc-Si:Hнаблюдается при температурах отжига Ta=400 oC и Ta=600 oC. Авторы [217] считают,что при температуре отжига пленок nc-Si:H равной 400 oC, происходит эффузияводорода с границ раздела колонн нанокристаллов, тогда как при Ta=600 oC водородвыходит главным образом из аморфной фазы.
Эффузия водорода из пленки nc-Si:Hприводит к образованию в ней дефектов типа оборванных связей, основная частькоторых находится на границах колонн нанокристаллов [46,170,217,218].Обобразованиидефектовприотжигеnc-Si:Hсвидетельствуютисследования влияния термического отжига при Ta=500зависимостькоэффициентапоглощенияпленкиnc-Si:HтакжеoC на спектральнуюсбольшойдолейкристаллической фазы, проведенные авторами работы [113].
Авторы [113] обнаружилиувеличение поглощения nc-Si:H в области hν<1.2 эВ при отжиге пленки. Как ужеотмечалось выше, поглощение nc-Si:H в этой области спектра связано с состояниямидефектов. Поэтому, по мнению авторов [113], увеличение поглощения пленки nc-Si:Hпри hν<1.2 эВ в результате ее отжига связано с увеличением состояний дефектов впленке, вызванным эффузией водорода. При отжиге пленки nc-Si:H наблюдается такженебольшое увеличение коэффициента поглощения в области hν>1.8 эВ [113].Исследования, проведенные в работе [218] показали, что при отжиге пленки ncSi:H может изменяться соотношение между аморфной и кристаллической фазами.Причем, для нелегированных пленок nc-Si:H и пленок nc-Si:H n-типа с большойизначальной долей кристаллической фазы (Xc∼75 %), наблюдается лишь небольшоеувеличение кристаллической фазы с повышением температуры отжига.
Однако, вслучае nc-Si:H p-типа с исходным значением Xc∼50 % доля кристаллической фазывозрастает с увеличением температуры отжига более значительно. При высокихтемпературах отжига (Ta=700 oC) доля кристаллической фазы для всех исследованных вработе [218] образцов nc-Si:H приближается к 100 %.Зависимость проводимости в нелегированных пленках nc-Si:H от температурыотжига исследовалась в работах [46,170,218].
При температурах отжига Ta<470 oC, дотех пор, пока концентрация оборванных связей (Ndb), измеряемая с помощью ЭПР,158была меньше 1018 см-3, темновая проводимость не изменялась с увеличениемтемпературы отжига. Однако, при Ta>470 oC, когда Ndb>1018 см-3, проводимостьуменьшалась на 5 порядков. Авторы работы [46] объяснили зависимость проводимостиот температуры отжига, влиянием на проводимость концентрации оборванных связей.При этом использовалась “барьерная” модель, согласно которой, в результатеизменения концентрации оборванных связей на границах колонн, может варьироватьсявысота и форма потенциальных барьеров, определяющих проводимость nc-Si:H, вслучае переноса по делокализованным состояниям. Численный расчет, проведенныйдля этого случая [46], показал, что при Ndb<1018 см-3 высота и толщина потенциальныхбарьеров практически не зависят от концентрации оборванных связей.
Соответственно,и проводимость nc-Si:H не должна зависеть от концентрации оборванных связей приNdb<1018 см-3. В то же время при Ndb>1018 см-3 расчеты показали, что высота и ширинабарьеров возрастают с увеличением Ndb, и проводимость nc-Si:H может уменьшиться нанесколько порядков при увеличении концентрации оборванных связей всего в два раза.По мнению авторов [170] указанную выше зависимость проводимости nc-Si:H отконцентрации оборванных связей можно также объяснить на основе модели,предполагающей наличие перколяционного пути для носителей заряда в nc-Si:H. ПриNdb<1018 см-3 существует перколяционный путь, по которому носители могут пройтичерез весь образец, не попадая при этом в области материала, содержащие оборванныесвязи.
В этом случае, проводимость nc-Si:H не должна зависеть от концентрацииоборванных связей и, следовательно, от температуры отжига. При Ta>470 oC, когдаконцентрация оборванных связей превышает 1018 см-3, перколяционный путьпропадает, и перенос носителей заряда осуществляется за счет прыжков по состояниямоборванных связей расположенных на границах колонн нанокристаллов, что можетпривести к наблюдаемому уменьшению проводимости nc-Si H.При температурах отжига Ta>600oC, наблюдается увеличение темновойпроводимости нелегированных пленок nc-Si:H [218]. По мнению авторов указаннойработы, такое увеличение проводимости может являться следствием увеличения доликристаллической фазы nc-Si:H при высоких температурах отжига.Согласно работе [218], изменение с температурой отжига проводимости в случаелегированных как донорами, так и акцепторами пленок nc-Si:H имеет иной характер,чем в случае нелегированных пленок.
В случае пленок nc-Si:H как n-типа159(легированных фосфором), так и p-типа (легированных бором) проводимостьпрактически не зависит от температуры отжига (наблюдается, однако, слабый рост σdпри увеличении Ta для µc-Si:H p-типа). Авторы [218] предполагают, что независимостьпроводимости легированных пленок nc-Si:H от температуры отжига может бытьсвязана со следующими двумя причинами: 1) в случае легированных пленокконцентрация свободных носителей а, следовательно, и темновая проводимость весьмавысоки, и относительное изменение проводимости пленки при отжиге практическинезаметно; 2) эффузия водорода из пленки может происходить за счет разрыва связейP-H или B-H, что, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации электрическиактивных атомов примеси и может, таким образом, компенсировать уменьшениепроводимости, вызываемое увеличением высоты потенциальных барьеров на границахколонн микрокристаллов.Как видно из приведенного краткого обзора в литературе также отсутствуютсравнительные исследования вызванных высокотемпературным термическим отжигомизменений спектральной зависимости коэффициента поглощения, проводимости ифотопроводимости nc-Si:H.
Поэтому для дальнейшего анализа процессов переноса ирекомбинации неравновесных носителей в пленках nc-Si:H, а также выяснениякорреляции между проводимостью, фотопроводимостью и оптическим поглощениемnc-Si:Hнамибылипроведеныисследованиявлияниявысокотемпературноготермического отжига пленок nc-Si:H как p-, так и n-типа на их оптические ифотоэлектрические свойства. Для проведения высокотемпературного термическогоотжига в качестве образцов p-типа были выбраны пленки nc-Si:H с уровнемлегирования бором k=4·10-6 (образец № 3, таблица 1.1), а образцы n-типа былипредставлены пленками nc-Si:H с уровнем легирования бором k=3·10-6 (образец № 2,таблица 1.1).
Данный выбор был продиктован тем, что указанные пленки nc-Si:Hобладали довольно большими значениями фоточувствительности (см. главу 3).Термический отжиг пленок проводился при различных температурах в интервалеTa=300-600oC в вакууме при давлении P=10-4 Па. Измерения оптических ифотоэлектрических свойств проводились в вакууме (P=10-3 Па) после отжига пленок втечение 30 мин. при температуре 180 oС.На рисунке 4.1 (а) представлены спектральные зависимости коэффициентапоглощения, измеренные методом постоянного фототока, для неотожженной пленки nc-160Si:H p-типа, полученной методом PECVD (образец № 3, таблица 1.1), а также после ееотжига при различных температурах отжига в интервале Ta=300-600 oC.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
