Диссертация (1097807), страница 31
Текст из файла (страница 31)
4.5. Температурные зависимости темновой проводимости пленки nc-Si:H p-типа (образец № 3,таблица 1.1) (а) и n-типа (образец № 2, таблица 1.1) (b) при различных температурах отжига.Температуры отжига в градусах Цельсия показаны на рисунке.
Значение Ta=250 oC соответствуетнеотожженным образцам.Об увеличении концентрации электрически активных атомов бора при отжигепленки nс-Si:H может свидетельствовать совпадение зависимостей фотопроводимостиот положения уровня Ферми для пленки nс-Si:H p-типа (образец № 2, таблица 1.1),166отожженной при различных температурах (Ta≤450 oC), и пленок p-типа, содержащихразличную концентрацию атомов бора. Данные зависимости приведены на рисунке 4.6.Положение уровня Ферми (Ef) относительно потолка валентной зоны (Ev) определялосьпо формуле (3.5). Расчет производился без учета высоты потенциального барьера Eb.Приэтомминимальнаяметаллическаяпроводимостьпринималасьравнойσo=150 Ом-1см-1.1 0 -4∆σ , S/cmph121 0 -51 0 -60 .3 00 .3 50 .4 00 .4 50 .5 00 .5 5E c -E f , e VРис. 4.6.
Зависимости фотопроводимости от положения уровня Ферми для пленки nс-Si:H p-типа(образец № 3, таблица 1.1), отожженной при различных температурах (1), и пленок nс-Si:H p-типа(образцы № 3, 4, 5, таблица 1.1) с различным уровнем легирования бором (2).Рассмотрим область высоких температур отжига. Наблюдаемые измененияпроводимости и фотопроводимости nс-Si:H p-типа в области Ta>500 oC и nс-Si:H n-типав области Ta>450 oC можно объяснить, если предположить, что в указанных областяхтемпературотжигапроисходитэффузияводородасграницнанокристаллов,формирующих колонны. Это должно привести к увеличению плотности состоянийдефектов на границах нанокристаллов, смещению уровня Ферми внутри колонн ксередине запрещенной зоны и, соответственно, к резкому уменьшению проводимости.Уменьшение фотопроводимости при данных Ta может быть вызвано как смещениемуровня Ферми к середине запрещенной зоны, так и увеличением концентрации дефектоввнутри колонн, которые могут играть роль рекомбинационных центров, особенно прикомнатных температурах и выше.
Наблюдаемое в случае пленок nс-Si:H p-типауменьшение поглощения в области “хвоста” поглощения при Ta>500 oC указывает на167возможность уменьшения концентрации дефектов на поверхности колонн. Такоеуменьшение может быть связано с реструктуризацией межатомных связей наповерхности колонн в данной области температур. Как отмечалось выше, обнаруженноенами уменьшение поглощения в области “хвоста” поглощения nс-Si:H p-типа приTa>500 oC согласуется с данными работы [46], в которой наблюдалось уменьшениесигнала ЭПР, соответствующего оборванным связям, в результате отжига nс-Si:H приTa>500 oC.
Наблюдаемое нами увеличение величины фотопроводимости пленки nс-Si:Hp-типа при температурах отжига Ta>550 oC (см. рис. 4.3) может быть связано суменьшением концентрации рекомбинационных центров - дефектов на границах колонннанокристаллов, за счет реструктуризации межатомных связей на поверхности колонн.Таким образом, энергетические состояния на поверхности колонн нанокристаллови состояния, определяемые границами нанокристаллов внутри колонн, в разной степенивлияют на величину поглощения в области “хвоста” и величину фотопроводимости.Отсутствие корреляции между коэффициентом поглощения в области “хвоста” ивеличиной фотопроводимости указывает на то, что фотопроводимость отожженныхпленок nс-Si:H зависит в основном от положения уровня Ферми, тогда как поглощение вобласти “хвоста” определяется концентрацией оборванных связей на границах колонннанокристаллов. Данные полученные при отжиге пленки nс-Si:H p-типа при высокихтемпературах (Ta>500 oC) указывают на то, что в качестве рекомбинационных центровмогут выступать также состояния дефектов внутри колонн нанокристаллов.4.2.
Влияниедлительногоосвещениянаоптическиеифотоэлектрические свойства пленок nc-Si:HНа момент постановки задачи считалось установленным, что оптические ифотоэлектрические свойства nc-Si:H, обладающего проводимостью n-типа, неизменяются под действием длительного освещения.
То есть в отличие от a-Si:H, эффектСтеблера-Вронского в nc-Si:H не наблюдается [167,214,220,221].Согласно имеющимся в настоящее время представлениям, эффект СтеблераВронского в a-Si:H возникает в результате туннельной рекомбинации неравновесныхносителей заряда, захваченных на хвосты плотности состояний валентной зоны и зоныпроводимости данного материала. По мнению авторов [167], отсутствие эффекта168Стеблера-Вронского в nc-Si:H может объясняться тем, что поскольку шириназапрещенной зоны с-Si меньше чем у a-Si:H, то электрон-дырочные пары создаютсяглавным образом в кристаллической фазе nc-Si:H. Поскольку фотопроводимость,исследованных в работе [167] пленок nc-Si:H определяется электронами (проводимостьn-типа),тодыркибудутоставатьсявкристаллическойфазе(задерживаясьпотенциальным барьером, существующим на границе с-Si с a-Si:H), и рекомбинациянеравновесных носителей будет в основном осуществляться в кристаллическомкремнии.
Согласно [167] это и может быть причиной того, что в слабо легированномбором nc-Si:H эффект Стеблера-Вронского не наблюдается. С другой стороны авторыработы [220] для объяснения отсутствия фотоиндуцированных изменений свойств ncSi:Hпредполагают,чтоосновныммеханизмомрекомбинациинеравновесныхносителей в этом материале является рекомбинация через состояния на границахнанокристаллов.Этопрепятствуеттуннельнойрекомбинациинеравновесныхносителей, захваченных на хвосты зон, в результате которой могут возникатьметастабильные изменения свойств nc-Si:H.Отметим также, что хотя фотоиндуцированных изменений свойств nc-Si:H влитературе не наблюдается, авторы [222] наблюдали метастабильные изменениятемновой проводимости в нелегированных пленках nc-Si:H при их быстромохлаждении в интервале температур 440-100 К.
При этом наблюдалось увеличениезначения проводимости nc-Si:H на два порядка по сравнению с исходным значением.Исходноезначениепроводимостиполностьювосстанавливалосьпоследесятиминутного отжига nc-Si:H при температуре 440 К.Как было отмечено, длительное освещение нелегированных пленок nc-Si:H,полученных методом PECVD и обладающих большими значениями проводимости ифотопроводимости, не приводит к заметным изменениям их проводимости ифотопроводимости. Однако, исследований влияния длительного освещения на слаболегированные акцепторами пленки nc-Si:H, которые обладают меньшими значениямипроводимости и фотопроводимости, и для которых, следовательно, относительныеизменения указанных параметров под действием освещения должны быть болеезаметны, проведено не было.
Поэтому мы провели исследования влияния освещения напроводимость и фотопроводимость пленок nc-Si:H, полученных методом PECVD, сразличным уровнем легирования бором (пленки № 1-5 в таблице 1.1). На рисунке 4.7169показаны полученные зависимости относительного изменения темновой проводимостиσ‘* /σ* исследованных пленок от времени их освещения. Здесь σ* и σ‘* – проводимостипленок до и после их освещения соответственно. Пленки освещались былым светомлампы накаливания через тепловой фильтр с интенсивность 50 мВт/см2 в атмосфересухого воздуха при комнатной температуре. Проводимость σ‘* измерялась через 1минуту после выключения освещения.Как видно из приведенного рисунка, освещение в атмосфере сухого воздуха поразному влияет на проводимость пленок n- и p-типа. Освещение пленок p-типаувеличивает их проводимость, тогда как освещение пленок n-типа либо не изменяетпроводимости (образец № 1, таблица 1.1), либо приводит к немонотонному изменениюσ‘* /σ* (образец № 2, таблица 1.1).
В последнем случае проводимость пленки сначалауменьшается, а затем возрастает.1023101Bσ d /σdA45100121 0 -1101102103t ill , с104105Рис. 4.7. Зависимости относительного изменения темновой проводимости nc-Si:H (σ‘* /σ* ) от времениосвещения (till) в атмосфере сухого воздуха. Номера кривых на рисунке соответствуют номерамисследованных образцов из таблицы 1.1.Нарисунке4.8представленызависимостиотносительногоизмененияфотопроводимости ∆σ‘TU /∆σTU исследованных пленок nc-Si:H от времени их освещениябелым светом лампы накаливания с интенсивность 50 мВт/см2 в атмосфере сухоговоздуха. Здесь ∆σTU и ∆σ‘TU – соответственно фотопроводимости пленок до и послеосвещения.
Как видно из рисунка, длительное освещение пленок nc-Si:H n-типа не170приводиткзаметнымизменениямихфотопроводимости.Втожевремяфотопроводимость пленок p-типа увеличивается в результате длительного освещенияпленок в атмосфере сухого воздуха.B∆σph /∆σphA101123450.110 110 210 3till, s10 410 5Рис. 4.8. Зависимости относительного изменения фотопроводимости (∆σ‘TU /∆σTU ) от времениосвещения (till) пленок nc-Si:H в атмосфере. Номера кривых на рисунке соответствуют номерамисследованных образцов из таблицы 1.1.Наши измерения показали, что изменения проводимости и фотопроводимостипленок nc-Si:H в результате их освещения зависят от окружающей образец среды(вакуум или воздух). На рисунке 4.9 (а, b) представлены зависимости относительногоизменения проводимости σ‘* /σ* и фотопроводимости ∆σ‘TU /∆σTU образца № 3 изтаблицы 1.1 (для которого наблюдались максимальные изменения проводимости ифотопроводимости в результате освещения) от времени освещения его в различныхусловиях.
Как видно из данного рисунка, освещение образца в вакууме 10-3 Па неприводит к изменению проводимости и фотопроводимости образца (кривые 1). В то жевремя освещение образца в атмосфере сухого воздуха увеличивает его проводимость ифотопроводимость (кривые 3). Снижение давления остаточных газов в камере приводитк уменьшению наблюдаемых эффектов (кривые 2). Для всех остальных исследованныхобразцов, за исключением образца № 2, наблюдалось аналогичное влияние давленияокружающего воздуха наизменения проводимости σ‘* /σ* и фотопроводимости∆σ‘TU /∆σTU в результате их освещения.17110ab10BA∆σph /∆σph3Bσd /σdA2321111102103104102103104till, sРис. 4.9. Зависимости относительных изменений проводимости (a) и фотопроводимости (b) пленки nсSi:H (образец № 3, таблица 1.1) от времени ее освещения в вакууме 10-3 Па (1) и в сухом воздухе придавлении 10 Па (2) и 105 Па (3).В случае образца № 2 (из таблицы 1.1) изменение проводимости в результатеосвещения наблюдается как в атмосфере сухого воздуха, так и в вакууме.
Однако,характер изменения проводимости образца № 2 от времени освещения зависит отдавления остаточных газов в камере. Полученные данные относительного измененияпроводимости σ‘* /σ* от времени освещения для образца № 2 представлены на рис. 4.10.Как видно из рисунка, при освещении пленки в вакууме (P=10-3 Па) наблюдаетсяуменьшение σ‘* /σ* (кривая 1). Увеличение давления остаточных газов в камереприводит к увеличению проводимости при временах освещения till>4·103 c. Из рисунка4.10 видно также, что освещение образца № 2 в атмосфере сухого воздуха с давлениемP=105 Па и P=10 Па приводит сначала к уменьшению σ‘* /σ* при увеличении времениосвещения, а затем уменьшение σ‘* /σ* сменяется увеличением (кривые 2, 3).
Заметим,что фотопроводимость образца № 2 при комнатной температуре существенно неизменяется под действием длительного освещения осуществляемого как в вакууме, таки в атмосфере окружающего воздуха.17210Bσd /σdA12310 .1101102103104105t ill , cРис. 4.10. Относительные изменения темновой проводимости (σ‘* /σ* ) образца № 2 (PЕCVD, k=3·10-6)при его освещении в вакууме с давлением P=10-3 Па (1) и в окружающей атмосфере с давлением P=10Па (2) и P=105 Па (3).На рисунке 4.11 представлены зависимости относительного изменения темновойпроводимости σ‘* /σ* пленок nc-Si:H, полученных методом PECVD, от величиныпроводимости в отожженном состоянии σ* после освещения пленок в атмосфере и ввакууме в течение четырех часов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
