Диссертация (1105259), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Посоотношению αCPM в «дефектной» области (hυ=1.2 эВ) к αCPM при межзонных переходах(hυ=1.8 эВ) можно судить о концентрации дефектов в структуре пленки. Как видно изрисунка 34, для образца ‘best’, это соотношение имеет значение в диапазоне 10-4-10-3.Аналогичные данные были получены для остальных исследованных пленок pm-Si:H.Полученные значения свидетельствует о низкой плотности состояний внутри щелиподвижности, а следовательно, и низкой концентрации дефектов типа оборванных связей.Заметим, что среди всех исследованных в рамках данной диссертационной работы пленок,образцы pm-Si:H показали наилучшее качество с точки зрения концентрации дефектов ифоточувствительности.Рис. 34.
Спектральная зависимость коэффициента поглощения, измеренная методом СРМ,для образцов a-Si:H и pm-Si:H („best‟).Информация о дефектах в пленках гидрогенизированного кремния может быть такжеполучена из измерений спектров ЭПР. В качестве примера на рисунке 35 представлен спектрЭПР для образца SiF4_1.5 (для остальных образцов pm-Si:H спектры аналогичны). Вполученных нами спектрах ЭПР полиморфных образцов наблюдалось два сигнала с g81факторами 2,0055 и 1,998.
Сигнал ЭПР с g=2,055 соответствует оборванным связям вматериале. Согласно измеренным нами спектрам ЭПР, концентрация дефектов типаоборванных связей в исследованных образцах pm-Si:H составляет около 1015 см-3.Рис. 35. ЭПР спектр, измеренный на образце pm-Si:H. На врезке показан ЭПР спектр a-Si:H.Однако, в ЭПР спектрах полиморфных образцов доминирует сигнал с g-факторомравным 1,998. Концентрация парамагнитных центров, дающих вклад в данный сигнал,составляет примерно 1018 см-3, что существенно превышает концентрацию оборванныхсвязей в пленках.
Этот сигнал не характерен для аморфного кремния, однако наблюдалсяранее другими группами в образцах nc-Si:H [50, 155]. По мнению авторов [50], этот сигналсвязан с электронами, захваченными на состояния в хвосте зоны проводимости. С другойстороны, авторы [155] считают, что происхождение сигнала с g-фактором 1,998 связано сэлектронами, захваченными на состояния на границах нанокристаллов. Для сравнения былтак же получен спектр ЭПР образца a-Si:H, осажденного в той же лаборатории, что иисследованные пленки pm-Si:H (он показан на врезке к рис.
35). Основной сигнал в данномслучае имеет g-фактор 2,0055, связанный с присутствием в пленке оборванных связей вконцентрации 6,3·10 15 см-3.Таким образом, природа ЭПР сигнала с g-фактором 1,998 на данный момент до концане ясна, однако, по-видимому, связана с наличием нанокристаллов в структуре материала.Во введении к главе указывалось на сложность детектирования малой долинанокристаллических включений в структуру пленок.
Обнаруженная особенность ЭПР82спектров пленок pm-Si:H, делает ЭПР спектроскопию удобным методом идентификациипленок с полиморфной структурой.Рис.36. Температурные зависимости темновой и фотопроводимости образца „best‟.Температурные зависимости фото- и темновых проводимостей для всех образцов pmSi:H (σ ph, σd) так же имели общие особенности. В качестве примера на рис.
36 представленытемпературные зависимости σph и σd для образца ‘best’ в отожженном состоянии.Температурные зависимости темновой проводимости имели активационный характер.Энергииактивацииисследованных образцовpm-Si:Hсоставляли0.9-1.1эВ,чтосвидетельствует о положении уровня Ферми вблизи середины щели подвижности.По значениям фотопроводимости под действием освещения монохроматическимсветом (с энергией кванта 1,8 эВ и мощностью 2 мВт/см-2) образцы pm-Si:H были близки к«стандартному» a-Si:H. На температурных зависимостях фотопроводимости для всехисследованныхпленокpm-Si:Hнаблюдалсяэффекттемпературногогашенияфотопроводимости (ТГФ) в области низких температур (см.
рис. 36) [156]. Данный эффектсвязан с изменением основного канала рекомбинации при изменении температуры пленки.При высоких температурах (в нашем случае, выше 165 К) основными рекомбинационнымицентрами являются оборванные связи. При понижении температуры, рекомбинацияносителей заряда главным образом происходит через состояния в хвосте валентной зоны aSi:H матрицы. Данные состояния имеют существенно меньшее сечение захвата свободныхносителей по сравнению с оборванными связями, поэтому смена основного каналарекомбинации приводит к уменьшению фотопроводимости (см. рис. 36).834.3 Влияние технологических параметров наэлектрические, оптические и фотоэлектрические свойствапленок pm-Si:H4.3.1 Влияние давления газов в реакционной камере на свойствапленок pm-Si:HОдним из основных параметров, позволяющих переключить режим получения пленокгидрогенизированногокремнияот«плазмырадикалов»наплазму,содержащуюнанокристаллы и кластеры кремния, является давление газов в реакционной камере.
Поэтомупредставляет интерес изучение изменений структуры и свойств пленок, полученных приизменении давления в реакционной камере.Нами была исследована серия из 4 образцов (см. табл. 1), полученных при повышениидавления в камере от 1940 до 5232 мТорр. Согласно литературным данным [32], даже дляобразца Pr_1940, полученного при минимальном из использованных нами давлений,величинадавлениягазовойсмесидостаточнадляобразованияполиморфногогидрогенизированного кремния, с другой стороны даже при получении образца смаксимальным давлением в камере Pr_5232, в плазме не должно образовываться кремниевогопорошка.Такимобразом,условияполучениявсехобразцовисследуемойсериисоответствуют условиям получения pm-Si:H.Рис.
37. Объемная доля кристаллической фазы в образцах серии с изменением давления,вычисленная из анализа спектров комбинационного рассеяния света.Как было отмечено выше, для получения информации о структуре пленокиспользовались спектры комбинационного рассеяния света. Как и для остальных образцов84pm-Si:H, на образцах серии с изменением давления в камере не наблюдалось ярковыраженного кристаллического пика в спектрах КРС. Для вычисления доли кристаллическойфазы в структуре пленок, спектры КРС аппроксимировались тремя пиками с максимумамиоколо 480, 500, 520 см-1.
На рисунке 37 представлена доля кристаллической фазы, полученнаяиз анализа интенсивности указанных пиков для образцов исследуемой серии. Как видно изрисунка, увеличение давления газов в реакционной камере (после выхода на режимполучения pm-Si:H) приводит к уменьшению доли кристаллической фазы в структуре пленок.Напомним, что присутствие в образце Pr_1940 нанокристаллитов размером 2-5 нмнаблюдалось на снимках просвечивающей электронной микроскопии (см. рис. 33).Вычисленные значения объемной доли кристаллической фазы в пленках находятся на уровне,близком к погрешности методики. Однако полученные другими методами результатысогласуются со значениями, вычисленными из анализа спектров КРС.Рис. 38. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренные методом CPMв отожженном состоянии и после освещения белым светом в течение двух часов, для пленокpm-Si:H, полученных при различных давлениях газовой смеси.Для исследования плотности состояний в щели подвижности pm-Si:H и особенностеймеханизма фотопроводимости материала были измерены спектральные зависимостикоэффициента поглощения и температурные зависимости проводимости при освещениипленок.
Спектры CPM образцов исследованной серии в отожженном состоянии и после ихдлительного освещения представлены на рисунке 38. Как видно из рисунка, форма спектров вобласти энергий квантов 1.4 эВ < hυ < 1.8 эВ отличается для различных образцов серии.85Наблюдается увеличение поглощения в указанной области при уменьшении давления газовойсмеси в процессе осаждения пленок. Так как в данном спектральном диапазоне поглощение вкристаллическом кремнии существенно выше, чем в аморфной матрице, то наблюдаемоеувеличение поглощения может быть связано с увеличением доли кристаллической фазы вструктуре исследуемых пленок [157].Рассмотримтеперьтемпературныезависимостифотопроводимостипленокисследуемой серии.
Форма кривых для образцов pr_2899, pr_3824 и pr_5232 и абсолютныезначения фотопроводимости близки друг к другу. В то же время поведение температурнойзависимости фотопроводимости образца pr_1940, в котором с помощью ТЕМ наблюдалисьнанокристаллические включения, отличается от них как по абсолютным значениямфотопроводимости, так и по значению энергии активации. На рисунке 39 для наглядностиприведены зависимости только для образцов pr_1940 и pr_5232. Выяснение причин,вызывающих отличия температурных зависимостей, требует дальнейших исследований.Рис. 39. Температурные зависимости темновой и фотопроводимости в отожженномсостоянии образцов серии с изменением давления.После длительного освещения белым светом лампы накаливания для всех образцовисследуемой серии наблюдалось стандартное увеличение поглощения в «дефектной» областиэнергий квантов (hυ<1.4 эВ) на спектрах СРМ, соответствующее увеличению концентрациидефектов типа оборванных связей в структуре пленок (эффект Стеблера-Вронского) (см.
рис.38). Фотопроводимость исследуемых пленок уменьшалась после их освещения, что так жесвязано с увеличением плотности состояний в середине щели подвижность a-Si:H,соответствующих оборванным связям. Эти состояния являются основными центрами86рекомбинации в a-Si:H [22], следовательно, увеличение их концентрации приводит куменьшению времени жизни носителей заряда и фотопроводимости.
Эти рассуждения, повидимому, справедливы для образцов pm-Si:H, так же как для a-Si:H.Такимиобразом,давлениегазоввреакционнойкамереявляетсяважнымтехнологическим параметром, позволяющем изменять структуру и свойства растущих пленокpm-Si:H. В частности, уменьшение давления газов в реакционной камере приводит кувеличению доли нанокристаллов в структуре пленок и росту межзонного поглощения.4.3.2 Влияние температуры подложки на свойства пленок pm-Si:HТемпература осаждения как пленок a-Si:H, так и pm-Si:H, является ключевымфактором, определяющим концентрацию атомов водорода, входящих в структуру пленки.Водород пассивирует оборванные связи в аморфной кремниевой матрице, а так же играетважную роль в механизмах фотоиндуцированной деградации материала (см., например, [78]).Нами была исследована серия из 4 образцов, осажденных при различных температурахподложки (от 175 до 275 0С).
Остальные технологические параметры осаждения исследуемыхпленок совпадали (см. табл. 1).Наиболее интересным результатом для данной серии, с нашей точки зрения, являетсявлияние температуры осаждения на эволюция параметров пленок под действием длительногоосвещения. Как отмечалось выше, для образцов pm-Si:H, так же как для a-Si:H, наблюдаетсяэффект Стеблера-Вронского, который приводит к увеличению концентрации дефектов типаоборванных связей в структуре пленок и спаду их фотопроводимости. На рисунке 40показаны спектры СРМ двух пленок серии, в отожженном и деградированном состоянии(после их длительного освещения). Как видно из рисунка, поглощение в «дефектной»области энергий квантов падающего света (hυ<1.2 эВ) увеличивается под действиемосвещения. Причем это поглощение, связанное с концентрацией дефектов типа оборванныхсвязей, увеличивается тем сильнее, чем меньше температура подложки, использованная приполучении пленки (на рис.
40 для наглядности приведены только спектры для пленок Ts_210и Ts_275).87Рис. 40. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренные методом CPMв отожженном состоянии и после освещения белым светом в течение двух часов, дляобразцов серии с изменением температуры подложки.На рисунке 41 представлена кинетика спада фотопроводимости исследуемых пленокпри комнатной температуре в зависимости от времени их облучения белым светом лампынакаливания (с интенсивностью 40 мВт˖см-2). Как видно из рисунка, наиболее быстрый спаднаблюдаетсяуобразцов,полученныхпринизкихтемпературахподложки,чтосвидетельствует об их большей подверженности деградационным эффектам.Для изучения процессов рекомбинации в пленках pm-Si:H и влиянии на нихдлительного освещения, были рассмотрены температурные зависимости фотопроводимости вшироком диапазоне температур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
