Диссертация (1105259), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Переходный слой от аморфной фазы к основнойнанокристаллической фазе составляет несколько десятков нанометров, и его толщина зависитот подложки, на которой формируется пленка nс-Si:H, и от метода изготовления пленки [46].Между границами колонн находится а-Si:H.24Рис. 4. Структура нанокристаллического гидрогенизированного кремния в зависимости отсоотношения газов в реакционной камере RH при осаждении пленок.Один из распространенных методов исследования структуры тонких пленокгидрогенизированного кремния — спектроскопия комбинационного (рамановского) рассеяниясвета (КРС). Этот метод позволяет увидеть моды, соответствующие колебаниям атомов ваморфной и кристаллической фазах, оценить по соответствующим пикам объемноесоотношение фаз, средний размер нанокристаллов и сделать выводы о порядке в структурепленки.Исследования,проведенныеспомощьюдифракциирентгеновскихлучей,спектроскопии КРС и эллипсометрии показали, что fс – объемная доля нанокристаллов впленке – может изменяться от нескольких процентов до величины близкой к 100%, как врезультате изменения технологических параметров в процессе роста пленок, так и врезультате кристаллизации пленок a-Si:H.
В частности, fс существенно зависит отсоотношения R H = [H2]/[SiH4] концентраций водорода и моносилана в газовой смеси приполучении пленки nс-Si:H методом PECVD (см. рис. 4). Считается, что при содержаниикристаллической фазы около 16% образуется перколяционная цепочка из соприкасающихсянанокристаллов кремния, появление которой резко изменяет электрические характеристикиматериала по сравнению с a-Si:H [47].Исследования спектров инфракрасного поглощения в пленках nс-Si:H показали, что, взависимости от условий получения, концентрация водорода может изменяться от несколькихатомных процентов до 15 атомных процентов, причем атомы водорода связаны с атомамикремния, в основном, в дигидридной конфигурации (SiH2). Анализ корреляции размеровнанокристаллов и, соответственно, размеров их поверхности и концентрации водорода впленках указывает на то, что водород не содержится внутри нанокристаллов, а расположен, восновном, на их поверхности, пассивируя оборванные связи, а также в аморфной матрице.Результаты измерений электронного парамагнитного резонанса в пленках nс-Si:H указываютна то, что дефекты типа оборванных связей так же расположены, в основном, на поверхности25колонн.
Методы, основанные на емкостных измерениях, показали, что состояния,соответствующие данным дефектам, распределены равномерно по энергии в запрещеннойзоне nc-Si [48].1.2.1.3 Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства пленокnс-Si:HСложная двухфазная структура нанокристаллического кремния определяет сложнуюформу спектральной зависимости коэффициента поглощения (α). На рис. 5 приведен видтакой зависимости в сравнении со спектрами аморфного и кристаллического кремния [20].Значения α в nс-Si:H в области энергий квантов hν > 1,8 эВ меньше, чем в пленках а-Si:H. Этосвязано с тем, что кристаллический кремний является непрямозонным полупроводником.
Втоже время, поглощение в nc-Si:H несколько выше поглощения для с-Si в области hν > 1.8 эВ.Это связывают с вкладом в поглощение nс-Si:H аморфной фазы, входящей в структуру пленок[43].Рис. 5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения для пленок аморфного,нанокристаллического и кристаллического кремния [20].В области энергий квантов 1,2-1,6 эВ коэффициент поглощения в пленках nс-Si:Hпревышает значения α для пленок а-Si:H и зависит от доли нанокристаллической фазы впленке [49]. Для пленок со значением fс близким к 100%, спектральная зависимость α(hν) вданной области энергий квантов близка к корневой зависимости, которая характерна длянепрямых оптических переходов с участием фононов в кристаллическом кремнии.Экстраполяция зависимости (α*hν)1/2 от энергии кванта к нулю дает значение, близкое кширине запрещенной зоны с-Si (1,08 эВ) [50].26Наконец, в области энергий квантов, меньших 1,1 эВ, в спектральных зависимостях αдля пленок nс-Si:H наблюдается «хвост» поглощения.
Величина поглощения в даннойобласти hν зависит от условий получения пленок и возрастает после их дегидрирования врезультате термического отжига. Кроме того, поглощение в этой области возрастает послеоблучения пленок электронным пучком электронов [51]. Эти результаты позволили сделатьвывод о том, что поглощение в области hν< 1,1 эВ определяется дефектами в пленках,основную часть которых составляют оборванные связи [52-56].В nс-Si:H существует хорошая корреляция между плотностью состояний в запрещеннойзоне и концентрацией оборванных связей в ней, что вполне успешно применяется приизготовлении соответствующих материалов и приборов. Были проведены исследованиякоэффициента оптического поглощения и в пленках nс-Si:H, которые показали, что внанокристаллическом кремнии оптическое поглощение линейно соотносится с плотностьюсостояний в запрещенной зоне с коэффициентом пропорциональности A=3.6(5)*1016см-1 приэнергии кванта 0.7 эВ.
Этот результат был получен в работе [43] при анализе спектральнойзависимостикоэффициентапоглощенияпленокnс-Si:Hметодомфотоотклоняющейспектроскопии (photodeflection spectroscopy - PDS) и плотности состояний в запрещеннойзоне методом электронного парамагнитного резонанса.Нелегированныйнанокристаллическийкремнийявляетсяполупроводниковымматериалом n-типа и обладает высокой (по сравнению с пленками a-Si:H) проводимостью[57]. Величина проводимости зависит от метода получения пленки, и в случае полученияметодом PECVD составляет 10-4-10-3 Ом-1см-1 [58].
По мнению авторов [57,58], n-типпроводимости связан с наличием неконтролируемой примеси кислорода, входящего вструктуру пленок в процессе их осаждения.В настоящее время отсутствует единая точка зрения о механизме переноса носителейзаряда в nc-Si:H. Согласно одной точки зрения, перенос носителей заряда происходит понанокристаллической фазе, а проводимость определяется потенциальными барьерами награницах нанокристаллов [59] или колонн из нанокристаллов [44]. Данный вывод был сделанпри изучении пленок с высокой долей кристаллической фазы.
Для пленок с промежуточной ималой долей кристаллической фазы, считается, что в переносе носителей заряда участвуюткак аморфная, так и нанокристаллическая фазы. При этом подвижность определяетсяпотенциальными барьерами на границах аморфной и кристаллической фаз.В работах [55,60] было проведено исследование проводимости пленок нелегированного27нанокристаллического кремния при изменении концентрации оборванных связей на границахколонн (Ndb), которая измерялась при помощи ЭПР спектроскопии. Было обнаружено, что приконцентрации оборванных связей ниже 10 18 см-3, темновая проводимость пленок неизменяется. Однако, при Ndb > 10 18 см-3, проводимость пленок уменьшается на 5 порядков.Авторы [60] считают, что эти результаты могут быть объяснены изменением высоты и формыпотенциальных барьеров на границах колонн нанокристаллов при изменении концентрацииоборванных связей на границах колонн.
С другой стороны, авторы [55,60] считают, что естьдругое объяснение наблюдаемым результатам. По их мнению, при Ndb < 1018 см-3, существуеттраектория (перколяционный путь), по которой носители заряда могут следовать через весьобразец, не попадая при этом в области с оборванными связями. При повышенииконцентрации оборванных связей, такой путь пропадает, что обуславливает смену механизмапереноса заряда на прыжковый (по состояниям оборванных связей) и, как следствие,уменьшение проводимости пленок.В работах [61, 62] исследовались температурные зависимости фотопроводимости (σph)nc-Si:H в области температур, ниже комнатной.
Было получено, что при температурах T < 40К, σph не изменяется, при Т > 40 K σph возрастает с температурой. Авторы так же отмечаютизменение показателя степени люкс-амперной зависимости от 0,5 к 0,9 при охлаждении ниже100 К. По мнению авторов, эти результаты указывают на зависимость процессоврекомбинации от температуры, однако конкретные механизмы рекомбинации в работах необсуждаются.Температурнаязависимостьвременифотоответанелегированногоnc-Si:H,соответствующего спаду фотопроводимости в е раз, была исследована в работе [63]. Дляпленок с кристалличностью 60 % и 40 % было получено, что время фотоответа практическипостоянно при температурах, меньших 200 К, и незначительно уменьшается при T > 200 K.Причем время фотоответа в пленках nc-Si:H оказалось выше, чем в a-Si:H.
Для объяснениябольшой длительности фотоответа в nc-Si:H авторы [63] предположили, что при hυ =1,95 эВ(использованном в работе для освещения пленок), носители заряда генерируются, восновном, в аморфной матрице. При этом фотопроводимость может осуществляться за счет:1) туннелирования электронов через граничную область в c-Si; 2) захвата электрона насостояния хвоста зоны проводимости a-Si:H и затем его прыжкового переноса по этимсостояниям с последующим туннелированием через граничную область в c-Si; 3) захватаэлектрона на глубокий уровень, находящийся в граничной области, и его теплового выброса в28зону проводимости c-Si. Вследствие малой вероятности теплового выброса электрона слокализованных состояний в зону проводимости во 2ом и 3ем случаях, время фотоответа ncSi:H может быть относительно большим (около 103 мкс и 101-102 мкс для пленок с долейкристаллической фазы 60 и 40% соответственно).1.2.2 Протокристаллический гидрогенизированный кремний1.2.2.1 Получение и структура pc-Si:HПленки протокристаллического гидрогенизированного кремния (pc-Si:H) получаютPECVD или HW-СVD методами при определенном подборе параметров осаждения, которыедолжны соответствовать переходу от осаждения a-Si:H к осаждению nc-Si:H, т.е.
началуформирования кристаллической фазы в пленках. Основным параметром в обеих технологияхявляется концентрация водорода в смеси газов-прекурсоров в реакционной камере RH (см.рис. 4). При этомв соответствии с описанными ранее этапами роста пленокгидрогенизированного кремния, кристаллическая фаза в pc-Si:H будет находиться наповерхности пленки.Объемная доля кристаллической фазы в пленках pc-Si:H по определению непревосходит нескольких единиц процентов. Малое количество нанокристаллов существеннозатрудняет их детектирование. В частности, на спектрах комбинационного рассеяния светаpc-Si:H не наблюдается характерных пиков, связанных с колебаниями в кристаллическомкремнии. Тем не менее, авторы работ [64,65] отмечают, что для корректной аппроксимацииспектров КРС таких пленок необходим учет дополнительного максимума с центром около490 см-1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
