Диссертация (1105259), страница 4
Текст из файла (страница 4)
[14]. Для сравнения в негидрогенизированном аморфном кремнии,15полученном при распылении кремниевой мишени, плотность дефектов составляет 1019-10 20см-3, то есть примерно на 4 порядка выше. Значительное уменьшение концентрации дефектовв a-Si:H связано с введением в кремниевую структуру атомов водорода, которыепассивируют оборванные связи.
Это оказывает значительный эффект на оптоэлектрическиесвойства пленок, так как электронные состояния, связанные с оборванными связями,являются основными рекомбинационными центрами в a-Si:H. Содержание водорода впленках a-Si:H варьируется от 4 до 40 ат. % в зависимости от условий осаждения пленок.1.1.2 Плотность состояний в пленках a-Si:HНесмотрянаотсутствиевнастоящиймоментвремениединойтеориинекристаллических материалов, многие их оптические и фотоэлектрические свойства могутбыть объяснены, исходя из представлений о зонном распределении энергетическихсостояний в аморфных полупроводниках [3]–[8], [15]. Однако отсутствие дальнего порядка ваморфных материалах делает невозможным применение зонной теории, разработанной длякристаллов. В начале 50-х годов А.Ф.
Иоффе сформулировал эмпирическое правило, изкоторого следует, что за полупроводниковые свойства в материалах отвечает ближнийпорядок. Сохранение ближнего порядка в неупорядоченных полупроводниках объясняетзонный характер распределения в них энергетических состояний.Аморфные материалы, так же как кристаллические полупроводники, имеютделокализованные состояния, благодаря которым электроны и дырки могут свободноперемещаться. Однако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что длина свободногопробеганосителейзарядаваморфномматериалезначительноменьше,чемвкристаллическом.
Когда длина свободного пробега, зависящая от энергии, становитсясравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются.Конкретные расчеты и оценки реальных неупорядоченных систем были проведены вработах Мотта [4,6,8,16]. Согласно идеям Мотта, в неупорядоченных полупроводникахдолжны существовать хвосты локализованных состояний на краях валентной зоны и зоныпроводимости, а также граничные энергии, разделяющие локализованные состояния отделокализованных [16].
На основе этих исследований было разработано несколько моделейструктуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках. Согласно Мотту иДэвису, хвосты локализованных состояний довольно узкие и распространяются взапрещенную зону на несколько десятых долей электронвольта (рис. 1). Уровень Ферми16закрепляется в узкой зоне уровней, расположенных вблизи середины запрещенной зоны иобязанных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т. е.
оборваннымсвязям, вакансиям и т. д. Наличие хвостов зон обусловлено разупорядочением структуры, сповышением степени разупорядочения аморфного полупроводника плотность состояний вхвостах зон увеличивается. Плотность состояний в хвостах зон в модели Мотта–Дэвиса имеетэкспоненциальное распределение; пик глубоких состояний, соответствующих дефектам,описывается гауссовым распределением.Рис. 1 Распределение плотности состояний в запрещенной зоне аморфного полупроводника,согласно модели Мотта-Дэвиса: EB-EV – ширина хвоста валентной зоны, EС-EA – ширинахвоста зоны проводимости.1.1.3. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойствапленок a-Si:HПленки a-Si:H проявляют полупроводниковые свойства, и имеют оптическую ширинузапрещенной зоны около 1.8 эВ (при содержании водорода в 20%). Материал демонстрируетхорошую фоточувствительность, и может быть легирован фосфором и бором [17].Наличие локализованных состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводниковприводит к низким значениям подвижности носителей заряда.
Подвижность электронов в aSi:H составляет ~10 см2/В·с и примерно на два порядка превышает дырочную подвижность(см. например [18]). Электроны и дырки могут перемещаться по локализованным состояниямтолько в том случае, если они получат дополнительную энергию. В результате отношениеподвижностей носителей заряда по делокализованным и локализованным состояниямпревышает три порядка. Поэтому диапазон энергий от EV до EC называется в аморфныхполупроводникахщельюподвижности.Именноэтотаналогзапрещеннойзоны,энергетической щели в кристаллических полупроводниках, и обеспечивает наличие17полупроводниковых свойству аморфных материалов. В кристалле оптическая иэлектрическая энергетические зоны близки друг другу. В аморфном материале электронныесвойства определяются щелью подвижности, а оптические свойства связаны с оптическойщелью, которая обычно меньше щели подвижности приблизительно на 50–100 мэВ [16].Рис. 2.
Спектральная зависимость коэффициента поглощения пленок a-Si:H, полученнаяразличными оптическими и фотоэлектрическими методами, такими как Ик спектроскопияс Фурье-преобразованием (FTIR), измерение фотопроводимости с двойной подсветкой(DBP), измерение оптического поглощения и пропускания (TR) и спектроскопическойэллипсометрии (SE). [19]На рисунке 2 показано изменение коэффициента поглощения в a-Si:H в широкомспектральном диапазоне [19]. На спектре можно видеть характерное поглощение, связанное сколебаниями Si-H связей, объемными дефектами, щелью подвижности и хвостами зон. Из-заразупорядочения структуры и наличия в ней водорода аморфный гидрогенизированныйкремний существенно отличается по оптическим свойствам [3]–[8], [20] от кристаллическогокремния (см.
пункт. 1.2.1.3).Собственное поглощение имеет большое значение для характеристики аморфныхполупроводников, поскольку оно определяет фотоэлектрические свойства материала ввидимой области спектра, а значит, эффективность солнечных элементов и чувствительность18фотоприемников на их основе. В отличие от c-Si край поглощения в аморфныхполупроводниках не имеет резкой границы. В случае аморфного гидрогенизированногокремния в области края поглощения наблюдается экспоненциальный рост коэффициентапоглощения α, для которого выполняется эмпирическое соотношение:α= α0 exp(hν/E0)(1)где α0 — предэкспоненциальный фактор; hν — энергия фотона; E0 — энергия Урбаха,характеризующая хвосты зон. Вблизи края поглощения преобладают оптические переходы сучастием экспоненциально распределенных состояний хвостов зон.
При этом величинаэнергии Урбаха в a-Si:H, как правило, определяется хвостом валентной зоны, плотностьсостояний в котором значительно выше, чем в хвосте зоны проводимости [21].Нелегированные пленки a-Si:H, полученные при оптимальных условиях осаждения,характеризуются минимальными значениями параметра Урбаха E0 (около 50 мэВ).В настоящее время установлено, что оборванные связи в а-Si:H влияют на процессызахвата и рекомбинации носителей заряда.
При этом показано, что оборванные связи внелегированном а-Si:H находятся в незаряженном состоянии. Для аморфного кремния былаполучена корреляция между распределением плотности состояний в щели подвижности испектральной зависимостью коэффициента оптического поглощения α в области энергий,меньших ширины щели подвижности. В частности, было получено линейное соотношениемежду плотностью состояний дефектов типа оборванных связей и величиной поглощения в«дефектной» области спектра (hυ < 1.2 эВ). Таким образом, измерение коэффициентаоптического поглощения а-Si:H в данной области спектра позволяет определять качестворассматриваемого материала.Одним из основных недостатков a-Si:H является фотоиндуцированная деградацияпараметров пленок под действием межзонного освещения (Staebler-Wronski effect - SWE)[22].
Длительное освещение a-Si:H приводит к возникновению метастабильных дефектовтипа оборванных связей в структуре пленок, которые могут быть «отожжены» при нагревепленок примерно до 160-180 oC. Несмотря на большое количество моделей, предложенныхдля объяснения SWE, до настоящего момента механизм эффекта остается неясен [14,23,24].Можно отметить, что многие исследователи сходятся во мнении, что движение атомовводорода играет ключевую роль в образовании метастабильных оборванных связей [24].Насыщение эффекта SWE при длительном освещении солнечных элементов на основе a-Si:H19приводит к уменьшению их КПД до 30% от исходного значения.
Поэтому поиск способовуменьшить влияния эффекта SWE на свойства материала остается важной задачей.1.2 Двухфазные пленки гидрогенизированного кремнияОдним из перспективных материалов тонкопленочной оптоэлектроники являетсянанокристаллический гидрогенизированный кремний (nc-Si:H). nc-Si:H — двухфазныйматериал, состоящий из матрицы аморфного кремния и нанокристаллов кремния. Высокийинтерес к изучению физических свойств nс-Si:H связан с перспективами использованияматериала для создания солнечных элементов и активных слоев матриц тонкопленочныхтранзисторов для управления жидкокристаллическими дисплеями. В значительной степениэто определяется тем, что в отличие от пленок а-Si:H, в пленках nс-Si:H не наблюдаетсяфотоиндуцированноеизменениеэлектрическихифотоэлектрическихпараметров.Подвижность носителей заряда в nc-Si:H существенно выше, чем в a-Si:H, однакопоглощение и фоточувствительность в области видимого света в nc-Si:H значительно ниже.Впервые пленки nс-Si:H были получены в 1975 году методом плазмохимическогоосаждения из газовой фазы (PECVD).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
