Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства модифицированных пленок a-Si-H (1105262), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Высокотемпературный отжигслоистых пленок a-Si:H приводил к тому, что концентрация оборванных связей (ОС)кремния на границах тонких слоев была намного больше, чем в области толстых слоев, чтообуславливало двумерный характер прыжковой проводимости вдоль тонких слоев.В легированных пленках двумерная прыжковая проводимость с переменной длинойпрыжка была обнаружена в области низких температур в отожженных при Ta =560°С7пленках a-Si:H, легированных фосфором. Эта проводимость осуществлялась по ОС кремния,вблизи уровня Ферми. Кроме работ, в которых σ h ∝ exp( −(T0 / T ) x ) в данном разделеприводится работа, авторы которой установили экспоненциальную температурнуюзависимость прыжковой проводимости σ h ∝ exp(−∆E / kT ) , т.е.
туннелирование происходитна ближайшие атомы.В слабо компенсированных кристаллических полупроводниках, в промежуточноммежду зонной и прыжковой проводимостями интервале температур, был обнаружен ещеодин активационный механизм проводимости – ε 2 -проводимость. Большинство авторовсчитает, что ε 2 -проводимость связана с передвижением электронов по однократнозаполненным нейтральным донорам (по состояниям D − -центров).Из представленного в этом разделе литературного обзора сделан вывод о том, чтодостаточно хорошо исследовано изменение электрических свойств пленок a-Si:H врезультате отжига их в вакууме при Ta ≤ 560ºС, влияние отжига при температурах выше560ºС на электрические свойства пленок практически не изучено. Кроме того, малоподобных исследований легированных пленок a-Si:H.В разделе 1.2 представлен литературный обзор основных работ, посвященныхисследованиям температурных и люксамперных зависимостей фотопроводимости внелегированных и легированных бором пленках a-Si:H.
Из этого обзора видно, чтозависимости фотопроводимости от температуры и интенсивности освещения имеет сложныйхарактер, что связано с различными в разных областях температур механизмамирекомбинаций. Для выяснения этих механизмов рекомбинации в пленках a-Si:H n-типаразными авторами приводятся различные схемы возможных процессов захвата ирекомбинации носителей заряда.
Одни авторы рассматривают переходы между хвостамизоны проводимости и валентной зоны; другие – прямые рекомбинации свободных носителейна D-центрах, а хвосты зон учитывают как резервуары неравновесных носителей, из которыхони поставляются в зоны путем тепловой генерации. Балагуров и др. в своей работе привелисхему электронных переходов в пленке a-Si:H n-типа, на которой показаны следующиевозможныепроцессызахватаирекомбинациинеравновесныхносителей:прямаярекомбинация электронов с дырками, предварительно захваченными на D + -центры; захватсвободных электронов на D 0 -центры, а затем туннельная рекомбинация их с дырками,захваченными на D + -центры; захват свободных электронов на уровни хвоста зоныпроводимости, туннельный переход их на D 0 -центр, а затем туннельная рекомбинация их сдырками, захваченными на D + -центры.
При достаточно высоких температурах возможны8обратные термические выбросы электронов в зону проводимости с уровней хвоста и с D 0 центра. В данной работе состояния хвоста валентной зоны не учитываются, так какполагается, что их концентрация мала по сравнению с концентрацией оборванных связей.Отмечено, что температурная зависимость фотопроводимости пленок a-Si:H p-типа имеханизмы рекомбинации в них исследованы значительно меньше.Систематизируя результаты рассмотренных работ, выявлено, что в области низкихтемператур (Т < 50 К) фотопроводимость слабо зависит от температуры, что объясняетсятем, что фотопроводимость в этой области температур определяется не временем жизни, авременем термализации неравновесных носителей, возбужденных в делокализованныесостояния. При температурах 150 К > Т > 60 К, где фотопроводимость экспоненциальнорастет с температурой, наиболее распространены две модели рекомбинации: 1) туннельнаярекомбинацияэлектронов(дырок),локализованныхнасостоянияххвостазоныпроводимости (валентной зоны) с дырками (электронами), предварительно захваченными наD 0 -центры; 2) туннельная рекомбинация электронов, локализованных на состояниях хвостазоны проводимости, с дырками, локализованными на состояниях хвоста валентной зоны.
Вобласти высоких температур (Т > 200 К) предполагается: 1) прямая рекомбинацияэлектронов из зоны проводимости (дырок из валентной зоны) с дырками (электронами),локализованными на D-центрах; или 2) туннельная рекомбинация электронов (дырок),локализованных на состояниях хвоста зоны проводимости (валентной зоны) с дырками(электронами), предварительно захваченными на D 0 -центры.Рассматриваются результаты исследования люксамперных зависимостей σ ph ∝ I γ , где I– интенсивность возбуждающего света. Показано, что γ имеет сложную зависимость оттемпературы, интерпретация которой затруднена из-за отсутствия ясного пониманиямеханизмов рекомбинации.Практически никто не видел фотопроводимость в отожженных при высокихтемпературах пленках с малой концентрацией ОС 1017 когда остается мало водородаИз данного обзора литературы делается вывод о том, что до сих пор остается многооткрытых вопросов, связанных с пониманием механизмов рекомбинации и температурнойзависимости фотопроводимости, особенно для пленок a-Si:H p-типа.Раздел 1.3 посвящен обзору литературных данных о зависимости оптическихпараметров и оптической ширины запрещенной зоны от условий изготовления пленок,концентрации водорода и температуры отжига.
Отмечено, что спектральные зависимостиоптических параметров – коэффициента поглощения α ( hν ) и показателя преломленияn(hν ) , различны для разных пленок и зависят от условий изготовления этих пленок. С9увеличением температуры получения пленок α ( hν ) увеличивается и край поглощениясдвигается в область более длинных волн, n(hν ) тоже повышается и при Ts > 300ºСстановится выше, чем для кристаллического кремния.
В области более длинных волнпоказатель преломления стремится к постоянной величине n0 . Показано, что величина n0 восновном определяется концентрацией водорода C H в пленке: с увеличением C H значениеn0 уменьшается (т.к. n0 коррелирует с C H , то n0 является показателем концентрацииводорода в пленке).От концентрации водородаC H , начальная концентрация которой зависит оттемпературы получения пленок Ts (чем больше Ts , тем меньше C H ) также зависитоптическая ширина запрещенной зоны E g .
Показано, что изменение оптической ширинызапрещенной зоны пленок a-Si:H обуславливается в основном, изменением концентрацииводорода C H в них (чем меньше C H , тем меньше E g ).Далее рассматриваются результаты работы [1] согласно которым оптическая шириназапрещенной зоны является функцией не только концентрации водорода C H , но и функциейбеспорядка:E g = V (C H , δ V ) + ε g ( χ ) ,(1)где δV – разница между энергией более сильной связи Si-H и энергией связи Si-Si, ε g ( χ ) –энергия,обусловленнаяналичиемфлуктуационногопотенциала,аχ –ширинапространственного распределения этих флуктуаций, определяющая степень структурного итеплового беспорядка в пленках a-Si:H ( ε g ( χ ) уменьшается с увеличением χ ).
Эти дваконкурирующих фактора: концентрация водорода и степень беспорядка в пленке определяютизменение оптической ширины запрещенной зоны в результате термического отжига. Содной стороны, потеря водорода приводит к понижению оптической ширины запрещеннойзоны E g при повышении температуры отжига Ta , с другой стороны, релаксация структурнойсетки понижает хвосты поглощения, которые обусловлены дефектами и таким образом,увеличивает E g при условии, что хвосты начинаются достаточно близко к E g .Обзор работ, посвященных исследованию влияния термического отжига на оптическуюширину запрещенной зоны показал, что зависимость оптической ширины запрещенной зоныот температуры отжига можно разбить на две области: до Ta ≈ 300 ÷ 400°С и вышеTa ≈ 400°С.
В первой области температур изменение E g с ростом температуры отжигазависит от температуры Ts и скорости осаждения исследуемых пленок: при больших Ts10(~190, 270°С) и малых скоростях роста (20 Å/мин) величина E g практически не меняется сростом Ta , а при малых Ts (~25 ÷ 150°С) и больших скоростях роста (100 Å/мин) E gувеличивается с увеличениемTa .
Такой характер изменения оптической ширинызапрещенной зоны с температурой отжига объясняется отжигом собственных дефектовматрицы кремния и, соответственно, изменением деформации матрицы. При Ta > 400°Спроисходит сильная эффузия водорода из пленок, что приводит к уменьшениюконцентрации водорода и, следовательно, к уменьшению оптической ширины запрещеннойзоны.Из данного обзора делается вывод о том, что мало работ исследующих влияниетермического отжигана оптические свойства пленок a-Si:H (особенно легированных),большая часть работ посвящена исследованию последствий эффузии водорода из них.Поэтому имеющиеся в литературе данные недостаточны для построения однозначнойкартины изменения оптических свойств пленок a-Si:H в результате высокотемпературногоотжига.Во второй главе описаны условия приготовления исследованных образцов, методикиизмерений и обработки экспериментальных данных, использованные в данной работе, атакже методика определения концентрации водорода в пленках.Вразделе2.1описаныусловияприготовленияисследованныхобразцов.Нелегированные и легированные бором пленки a-Si:H были выращены в ГИРЕДМЕТе,методом разложения моносилана SiH4 в плазме высокочастотного тлеющего разряда.Толщины пленок составляли 1мкм.
Параметры всех исследованных пленок приведены втаблице 1.Таблица 1Пленки123456789Ta , °C–600650–560650−600650Ts ,°C250250250300300300250250250C B , см -3–−−6 ⋅ 10166 ⋅ 10166 ⋅ 10164 ⋅ 10184 ⋅ 10184 ⋅ 1018nnnnnnpppтип проводимостиВ разделе 2.2 описан метод ИК-спектроскопии, определяющий концентрацию водородав исследованных пленках, который основан на селективном поглощении энергии ИКизлучения молекулярными связями кремния и водорода при совпадении частоты излучения сразличными колебательными модами этой связи.11В разделе 2.3 даны описания азотного криостата, в которомисследовалисьэлектрические и фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H и инфракрасного двулучевогоспектрофотометра UV 5270 фирмы «BECKMAN», на котором измерялись спектрыоптического пропускания всех исследованных пленок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
