Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства модифицированных пленок a-Si-H (1105262), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В данном разделе также представленыиспользованные методы измерений электрических, фотоэлектрических и оптических свойствпленок a-Si:H.Методика вычисления электрических и фотоэлектрических характеристик пленок aSi:H описана в разделе 2.4. Определено, что по температурной зависимости темновойпроводимости пленок можно судить о механизме проводимости в данной областитемператур. Показано, что зонная проводимость имеет активационную зависимость оттемпературы, температурная зависимость прыжковой проводимости с переменной длинойпрыжка, описывается формулой Мотта, наблюдаемая в кристаллических полупроводникахпрыжковая ε 2 -проводимость тоже имеет активационный характер. Из параметров зоннойтемновой проводимости σ d (T ) определяется положение уровня Ферми относительнопотолка валентной зоны или дна зоны проводимости (при данной температуре), а извыражениядляT0(параметрпрыжковойпроводимости)оцениваетсяплотностьлокализованных состояний ρ F вблизи уровня Ферми.Показано, что при наличии нескольких механизмов проводимости анализ температурнойзависимостипроводимостиудобнопроводитьметодомЗабродского,вкоторомэкспериментально измеренные данные σ d (T ) используются для построения зависимостейln wотln Tэкспоненциальныйd ln σ d ⎞⎛⎜w =⎟d ln T ⎠⎝механизм[2].В области температур,проводимости,этагдезависимостьпреобладаетлинейна.Водинобластипромежуточных температур, при переходе от одного механизма к другому, с увеличениемтемпературы происходит нелинейное увеличение зависимости ln w от ln T .
Например, длязонной проводимости σ 1 зависимость ln w от ln T линейна и уменьшается с температурой:ln w = b − ln T ,⎛E ⎞где b = ln ⎜ 1 ⎟ .⎝ k ⎠(2)Для прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка σ h зависимость ln w отln T имеет видln w = a − x ln T ,где a = ln x + x ln T0 .(3)12А для ε 2 –проводимости зависимость ln w от ln T также линейна и уменьшается стемпературой:ln w = c − ln T ,⎛E ⎞где c = ln ⎜ 2 ⎟ .⎝ k ⎠(4)Используя соотношения (2 – 4) для линейных участков зависимости ln w от ln T , можноопределить соответствующие параметры зонной проводимости, прыжковой проводимости иε -проводимости.2В разделе 2.5.
приводится методика определения оптических параметров и оптическойширины запрещенной зоны пленок a-Si:H.Показана оптическая схема исследованных структур: тонкая пленка a-Si:H на толстой,прозрачной подложке, из спектров пропускания Т (λ )определялисьспектральныезависимостикоторых, по методике [3],оптическихпараметров – коэффициентапреломления n(hν ) и коэффициента поглощения α (hν ) . Спектральная зависимость n(hν )определялась в области прозрачности и слабого поглощения, по величинам пропускания вмаксимумах и минимумах спектра по формуле:n = [ N + ( N 2 − n s ) 1 / 2 ]1 / 2 ,2где N = 2 n Ts− T minn +1.+ s2⋅ T min2maxT max(5)Спектральная зависимость коэффициента поглощения α (hν ) определялась по величинепропускания в области сильного поглощения, по формуле:α ( hν ) = −⎡ ( n + 1) 3 ⋅ (n + n s 2 ) ⋅ T ⎤1⋅ ln ⎢⎥.d16n 2 ⋅ n s⎣⎢⎦⎥(6)Оптическая ширина запрещенной зоны определялась по методу Тауца из спектральнойзависимости коэффициента поглощения линейной экстраполяцией зависимости α (hν ) 1 / 2 отhν к значению α = 0 .В данном разделе также приводятся рассуждения о влиянии неоднородности в тонкихпленках (вариации ∆d и ∆n ) на спектр оптического пропускания, что приводит к ошибкампри определении оптических параметров пленок.
Показано, что по поведению максимумов иминимумов спектра пропускания можно судить об однородности исследуемой пленки [4].Втретьейвысокотемпературногоглавеотжигапредставленывпотокерезультатыводороданаисследованиявлиянияэлектрическиесвойстванелегированных и легированных бором пленок a-Si:H, с концентрациями бора 6 ⋅ 10 16 cм -3 и4 ⋅ 10 18 см -3 .13Показано, что температурная зависимость темновой проводимости σ d (T ) всехисследованных пленок, после отжига их в потоке водорода приTa = 560 ÷ 650°C изактивационной становится неактивационной в исследованном интервале температур (от 80Кдо 480К), что может свидетельствовать о наличии нескольких механизмов проводимости.Обработка измеренных зависимостей σ d (T ) методом Забродского показала, что внелегированных и слабо легированных бором пленках a-Si:H (n-типа) температурнаязависимость темновой проводимости определяется суммой зонной проводимости ипрыжковой проводимости с переменной длиной прыжка.
Параметры этих проводимостейопределялись из зависимости σ d (T ) и lg w от lg T . Достаточно протяженный линейныйучасток в области низких температур ( T < 260 K) давал значения параметров T0 иx,характерные для мотовской прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка. Приповышении температуры ( T > 260 K) величина lgw сначала возрастала, а затем (приT > 400 K) снова начинала уменьшаться, что указывало на смену механизма проводимости.Так как линейная аппроксимация высокотемпературного участка кривой lg w от lg T давалагрубую оценку значения параметров проводимости (из-за малости участка линейногоуменьшения lg w с температурой), то параметры этой проводимости определялись иззависимостей σ d (T ) .
Для этого вычислялась разность σ 1 (T ) = σ d (T ) − σ h (T ) измереннойтемновой проводимости пленки σd и проэкстраполированной в область высоких температурпрыжковой проводимости σ с параметрами T0 и x , определенными выше. Температурнаяhзависимость проводимости σ 1 имела активационный характер, а определенные из этойзависимости значения энергии активации Е1 и предэкспоненциального множителя σ 01соответствовали зонному механизму проводимости (таблица 2).В отожженных сильно легированных бором пленках a-Si:H (p-типа) наряду с зоннойпроводимостью и прыжковой проводимостью с переменной длиной прыжка, обнаруженапрыжковая ε 2 -проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.Наличие третьего механизма проводимости в отожженных пленках a-Si:H (p-типа) виднона рисунке 1, где приведена зависимость lg w от lg T и на рисунке 2, где температурнаязависимость темновой проводимости уже не определяется суммой только двух механизмовпроводимости.
Из рисунка 1 видно, что наряду с двумя линейными участками(низкотемпературный и высокотемпературный), на которых функция lg w убывает стемпературой, в области температур, близких к 240 K, наблюдается особенность,14указывающая на вклад еще одного механизма проводимости. Параметры проводимостипленок в области низких температур ( T < 160 K), определенные как из кривых зависимостиlg w от lg T , так и непосредственно по кривым σ d (T ) методом подбора параметров былихарактерны для прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в аморфныхполупроводниках (таб. 2).
Затем, вычитая, в области T > 160 К, из экспериментальноизмеренных величин σ d соответствующие значения σ h (кривая а), получили компонентупроводимости, температурная зависимость которой не описывалась одной экспонентой.Рис. 1. Температурная зависимость легированнойбором пленки a-Si:H после высокотемпературногоотжига, С В = 4 ⋅ 1018 см -3 (пленка 9).o – значения lg w = lg⎛⎜⎜ ∆ lg σ d ⎞⎟⎟ , определенные из⎝ ∆ lg T ⎠экспериментальных величин σ d (T ) . Кривая 1 –⎛ d lg(σ 1 + σ 2 + σ h ) ⎞ .⎟⎟lg w = lg⎜⎜d lg T⎠⎝В области температур 210 К − 310 К, вычисленные значения проводимости σ 2 ложилисьна прямую б, и σ 2 (T ) имела активационный характер.
Экстраполяция этой зависимости вобласть высоких температур ( T > 320 К) показала, что экспериментально измеренныезначения темновой проводимости σ d заметно превышают σ 2 (T ) (рис. 2). Вычитая из σ d приТ > 320 К соответствующие вклады σпроводимость,температурнаяэкспоненциальным закономh(кривая а) и σ 2 (кривая б), получили вклад взависимость(криваяв)которойописываетсяс параметрами, характерными для зонной проводимости влегированных пленках a-Si:H.-3-4σd - σh- σ2σd - σhTa = 650°CРис.
2. Температурная зависимость темновойd-1lg σ , Ом ⋅ см-1-5проводимости легированной бором пленки a-а-6Si:H, С В = 4 ⋅ 1018 см -3 (пленка 9).-7-82-9вб-10234536-110 /T, K7815Показано, что в пленках a-Si:H как n- так и p-типа положение уровня Ферми взапрещенной зоне, определенное по параметрам зонной проводимости (при Т = 200К),совпадает с областью энергетических уровней оборванных связей кремния и наблюдаемаяпри низких температурах прыжковая проводимость с переменной длиной прыжкаосуществляется по оборванным связям кремния.Установлено, что положение уровня Ферми в запрещенной зоне в пленках a-Si:H n-типапосле высокотемпературного отжига практически не изменилось, что определяется тем, чтоэнергетические уровни оборванных связей кремния, образующихся при отжиге в результатеэффузии водорода, находятся в области, близкой к положению уровня Ферми внеотожженной пленке (таб. 2).
В пленках же p-типа уровень Ферми после отжига сместилсяк потолку валентной зоны на ~ 0.14 эВ, хотя образование оборванных связей в глубинезапрещенной зоны также должно было бы приводить к сдвигу уровня Ферми к серединезапрещенной зоны. Обнаруженное смещение уровня Ферми к валентной зоне влегированных пленках p-типа при высокотемпературном отжиге указывает на увеличениеконцентрации электрически активных атомов бора. Наиболее очевидная причина увеличенияэффективности легирования пленок бором связывается с эффузией водорода, приводящей куменьшению концентрации пассивированных водородом электрически неактивных атомовбора.Таблица 2E F ,(Т=200К) σ 02 ,Ом-1⋅см-1E 2 ,эВ σ 0 h ,Ом-1⋅см-1Пленкиσ ,Ом-1⋅см-1E1 , эВ15⋅1030.74EС −0.67––39.8⋅1020.68Eс -0.65–−44⋅1030.73Eс -0.69–63.4⋅1020.67Eс -0.66––76⋅1030.75EV +0.69––91.7⋅1020.55EV +0.550.0150.2601––7.4⋅103–1.5⋅105–5⋅103T0 , К ρ f ,см-3·эВ-1–−1.08⋅1081.51⋅1019––1.72⋅1089.5⋅1018––9.9⋅1071.65⋅1019Определено энергетическое положение состояний хвоста валентной зоны, по которымосуществляется ε 2 -проводимость, как разность энергии активации зонной проводимости ипрыжковой ε 2 -проводимости: ∆ v = E1 − E 2 = 0.29эВ .
Она характеризует протяженностьобласти локализованных состояний с неэкспоненциальным спадом плотности состояний.Отмечено, что чаще всего ε 2 -проводимость связывается с переносом по верхней зонеХаббарда могут спросить что это (по состояниям D − -центров), а в рассматриваемом случае16возникновение ε 2 -проводимости, по-видимому, связано с возрастанием уровня легированияпри высокотемпературном отжиге, приводящем, с одной стороны, к смещению уровняФерми к потолку валентной зоны, а с другой – к возрастанию плотности состояний в хвостевалентной зоны.
В конце главы сформулированы основные выводы.В четвертой главе представлены результаты измерений температурных зависимостейи люксамперных характеристик стационарной фотопроводимости нелегированных илегированных бором пленок a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в потокеводорода. Измерения фотопроводимости σ ph проводились в интервале температур 83 – 430 Кпри интенсивности освещения 60 мВт/см2.Установлено, что в неотожженных и отожженных пленках a-Si:H n- и p-типа в областитемператур от 83 К до 360 К наблюдается фотопроводимость с неактивационнойтемпературной зависимостью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
