Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 9
1.1 Аморфный гидрированный кремний 9
1.1.1 Структура и методы получения a-Si:H 9
1.1.2 Плотность электронных состояний в щели подвижности a-Si:H 10
1.1.3 Влияние легирования на плотность электронных состояний a-Si:H 17
1.1.4 Влияние освещения на плотность электронных состояний a-Si:H 22
1.2 Микрокристаллический гидрированный кремний 36
1.2.1 Получение и структура nc-Si:H 36
1.2.2 Плотность электронных состояний в цс-Si.H 38
1.3 Фотоэлектрические методы исследования распределения плотности
электронных состояний в щели подвижности a-Si:H и цс-ShH 40
1.3.1 Метод постоянного фототока 40
1.3.2 Метод фотомодуляционной спектроскопии 42
1.4 Выводы из обзора литературы и постановка задачи 43
ГЛАВА 2. Методика измерений 45
2.1 Методика измерения электрических и фотоэлектрических свойств пленок a-Si:H и цс-S'v.H 45
2.2 Методика измерения спектральной зависимости коэффициента поглощения пленок a-Si:H и цс-ShH 47
2.3 Методика измерения плотности электронных состояний из измерений температурных зависимостей переменной и постоянной составляющих фотопроводимости 51
ГЛАВА 3. Исследование плотности электронных состояний в цс-Si.H И a-Si:H(Er) 60
3.1 Распределение плотности электронных состояний в хвостах зоны проводимости и валентной зоны цс-БШ 60
3.2 Влияние легирования эрбием на плотность электронных состояний в щели подвижности a-Si:H 69
ГЛАВА 4. Фотоиндуцированные состояния в компенсированном аморфном гидрированном кремнии 79
4.1 Влияние положения уровня Ферми на фотоиндуцированное изменение проводимости и плотности состояний в щели подвижности a-Si:H 79
4.1.1. Исследованные образцы 79
4.1.2. Основные свойства исследованных пленок 80
4.1.3. Фотоиндуцированные изменения параметров исследованных пленок 83
4.2 Влияние освещения на плотность состояний в щели подвижности компенсированного a-Si:H с большой концентрацией примесей 97
4.2.1 Основные свойства исследованных пленок 98
4.2.2 Фотоиндуцированные изменения проводимости исследованных пленок 100
4.2.2.1 Кинетика изменения проводимости в процессе освещения..100
4.2.2.2. Релаксация остаточной фотопроводимости после прекращения освещения 104
4.2.3 Фотоиндуцированные изменения плотности состояний в щели подвижности компенсированного a-Si:H 107
Заключение 114
Список опубликованных работ 117
Список литературы 118
- Микрокристаллический гидрированный кремний
- Метод фотомодуляционной спектроскопии
- Методика измерения плотности электронных состояний из измерений температурных зависимостей переменной и постоянной составляющих фотопроводимости
- Влияние освещения на плотность состояний в щели подвижности компенсированного a-Si:H с большой концентрацией примесей
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время ведутся интенсивные работы по разработке и созданию тонкопленочных электронных и оптоэлектронных приборов, таких как полевые транзисторы, солнечные элементы, фотоприемники. При этом в качестве материала, перспективного с точки зрения использования в тонкопленочных приборов повышенное внимание исследователей вызывают аморфный гидрированный кремний (a-Si:H) и микрокристаллический кремний (цс-ЭШ). В основном это связано с тем, что указанные материалы довольно просты в получении и обладают целым рядом свойств, делающих их перспективными для использования в оптоэлектронике. Так, микрокристаллический гидрированный кремний, обладая стабильными фотоэлектрическими свойствами и хорошей технологической совместимостью с a-Si:H, находит применение в качестве і-слоя в «тандемных» тонкопленочных солнечных элементах на основе |ac-Si:H/a-Si:H. Аморфный гидрированный кремний, легированный эрбием (Ег) обладает эффективной фото- и электролюминесценцией с максимумом излучения на длине волны 1.54 мкм, соответствующей минимуму потерь в оптическом кварцевом волокне. Кроме того, совместимость технологий получения pic-Si:H и a-Si:H позволяет создавать различные структуры на основе комбинаций этих двух материалов.
Одной из основных характеристик любой неупорядоченной системы, к которым относятся a-Si:H и jac-Si:H, является плотность электронных состояний. Распределение плотности электронных состояний в щели подвижности a-Si:H и запрещенной зоне |uc-Si:H во многом определяет как равновесные, так и неравновесные параметры указанных материалов. Однако к настоящему моменту в литературе практически отсутствуют данные о распределении плотности электронных состояний в цс-Si.H. В нелегированном a-Si:H плотность электронных состояний изучена в достаточной степени. В то же время нет данных о влиянии легирования эрбием на плотность электронных состояний в щели подвижности а-Si:H. Кроме того, поскольку свойства a-Si:H изменяются в результате предварительного освещения, представляет интерес исследовать фотоиндуцированное изменение плотности электронных состояний этого материала. В особенности данное исследование является необходимым для изучения эффекта остаточной фотопроводимости, заключающегося в увеличении проводимости в результате предварительного освещения пленок
5 компенсированного a-Si:H, поскольку имеющиеся в литературе данные не позволяют однозначно объяснить данное явление.
Цель настоящей диссертационной работы - проведение систематических исследований плотности электронных состояний в |iC-Si:H и a-Si:H и исследование влияния на нее уровня легирования образцов и предварительного освещения.
Научная новизна. В результате, проведенных в диссертационной работе исследований, развита новая методика измерения плотности локализованных состояний и получен ряд новых данных по влиянию легирования и длительного освещения на электрические свойства и плотность состояний в щели подвижности микрокристаллического и аморфного гидрированного кремния:
Предложен фотомодуляционный метод измерения плотности локализованных состояний в щели подвижности фоточувствительных неупорядоченных полупроводников.
Найден вид распределения плотности локализованных состояний вблизи края валентной зоны микрокристаллического гидрированного кремния.
Показано, что плотность локализованных состояний в верхней половине щели подвижности a-Si:H возрастает при увеличении концентрации введенного эрбия. Установлено, что концентрация дефектов, возникающих при введении эрбия в a-Si:H, превышает концентрацию дефектов, возникающих при введении мышьяка.
Показано, что увеличение концентрации эрбия, введенного в пленки a-Si:H, приводит к уменьшению фотоиндуцированного изменения проводимости.
Установлена корреляция величины фотоиндуцированного изменения проводимости с положением уровня Ферми в щели подвижности аморфного гидрированного кремния п-типа.
Обнаружено фотоиндуцированное увеличение плотности состояний в верхней половине щели подвижности и ее уменьшение при малых временах освещения в нижней половине щели подвижности пленок компенсированного аморфного гидрированного кремния п-типа.
Основные положения, выносимые на защиту.
В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
Фотомодуляционный метод измерения плотности состояний в щели подвижности микрокристаллического и аморфного гидрированного кремния.
Плотность локализованных состояний в щели подвижности микрокристаллического кремния вблизи зоны проводимости и валентной зоны характеризуется экспоненциальным распределением. Характерная энергия, характеризующая крутизну экспоненциального распределения плотности состояний вблизи валентной зоны, составляет 0.065 ± 0.005 эВ.
Введение эрбия в a-Si:H приводит к возникновению большей концентрации дефектов и, соответственно, большей плотности состояний в середине щели подвижности нежели в случае легирования пленок a-Si:H мышьяком. С ростом концентрации введенных в a-Si:H атомов эрбия увеличивается плотность электронных состояний вблизи зоны проводимости.
Увеличение концентрации введенного в a-Si:H эрбия приводит к уменьшению фотоиндуцированного изменения проводимости. Это связано с увеличением плотности локализованных состояний в верхней половине щели подвижности в пленках, содержащих большую концентрацию эрбия.
Величина фотоиндуцированного изменения проводимости пленок компенсированного a-Si:H определяется положением уровня Ферми в щели подвижности и увеличивается при его удалении от середины щели к краю зоны проводимости. В значительной степени это связано с положением уровня Ферми относительно положения фотоиндуцированных дефектов, состояния которых расположены в середине щели подвижности.
Максимальное фотоиндуцированное увеличение проводимости наблюдается для компенсированных пленок, уровень Ферми которых расположен на глубине 0.6-0.7 эВ от зоны проводимости. При малых временах освещения плотность электронных состояний в верхней половине щели подвижности увеличивается, а в нижней - уменьшается. Изменения плотности состояний связаны с фотоиндуцированным изменением концентрации комплексов атом бора - дефект типа оборванной связи и изменением концентрации электрически активных атомов бора.
Практическая ценность работы. Данные, полученные в работе о распределении плотности электронных состояний в щели подвижности a-Si:H и цс-БШ и их изменении при легировании можно использовать для оптимизации параметров фотопреобразователей, солнечных батарей, светодиодов, созданных на основе данных материалов. Результаты по влиянию длительного освещения
7 пленок компенсированного a-Si:H и a-Si:H(Er) могут быть использованы для оценки стабильности, надежности и срока службы приборов (в случае их использования под действием прямых солнечных лучей), созданных на их основе.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на четвертой Международной конференции "Аморфные и нанокристаллические полупроводники" (Санкт-Петербург, 2004), второй и третьей Всероссийских конференциях по материаловедению и технологиям получения легированных кремния и приборных структур на его основе "Кремний - 2003", "Кремний - 2005" (Москва 2003, 2005), 21 Международной конференции по аморфным и нанокристаллическим полупроводникам (Португалия, Лиссабон, 2005), седьмой Всероссийской Молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005), а также на семинарах кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ. Основные результаты опубликованы в 7 работах, список которых приведен в конце диссертации.
Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе приводятся литературные данные о получении, структуре и плотности состояний pc-Si:H и a-Si:H. Рассматривается влияние на свойства а-Si:H легирования и предварительного освещения. В конце первой главы сделаны выводы из обзора литературы и сформулирована постановка задачи.
Во второй главе приводится описание методик измерений электрических, фотоэлектрических свойств и спектральных зависимостей коэффициента поглощения a-Si:H и (ic-Si:H. Также приводится описание предложенного в работе метода получения информации о плотности электронных состояний в щели подвижности a-Si:H и запрещенной зоне цс-БШ из измерений постоянной и переменной составляющих фотопроводимости при возбуждении носителей модулированным освещением.
Основные результаты работы изложены в третьей и четвертой главах. В соответствующих разделах этих же глава представлены данные об условиях получения и структуре исследованных в работе пленок. В первой части третьей главы приводятся результаты исследований распределения плотности электронных состояний в хвостах зоны проводимости и валентной зоны jxc-Si:H из измерений постоянной и переменной составляющих фотопроводимости при модулированном возбуждении. Приводится полученная зонная диаграмма
8 (iC-Si:H. Во второй части третьей главы представлены результаты исследования влияния легирования эрбием на плотность электронных состояний в щели подвижности a-Si:H. Информация о плотность электронных состояний в нижней половине щели подвижности была получена из анализа спектров коэффициента поглощения при использовании метода постоянного фототока, а в нижней половине щели подвижности - из измерений постоянной и переменной составляющих фотопроводимости при модулированном возбуждении. Проводится сравнение спектральных зависимостей коэффициента поглощения пленок a-Si:H(Er) и пленки a-Si:H, легированной мышьяком, динамика изменения проводимости исследованных пленок в результате освещения, а также рассматриваются кривые распределения плотности электронных состояний в хвосте зоны проводимости.
В первой части четвертой главы приводятся данные исследования электрических, фотоэлектрических и оптических свойств компенсированного аморфного кремния с малыми концентрациями примеси, а также влияния на эти свойства предварительного освещения. В частности, рассматривается влияние положения уровня Ферми и степени компенсации на проводимость компенсированного a-Si:H, особенности спектров поглощения. Приведены результаты исследования кинетики изменения в результате освещения темновой проводимости пленок компенсированного a-Si:H при различных температурах и релаксации этих изменений после прекращения освещения. Также приводится численный расчет смещения положения уровня Ферми для случая фотоиндуцированного увеличения плотности состояний дефектов типа оборванных связей в середине щели подвижности. Во второй части четвертой главы приведены результаты исследований фотоиндуцированных изменений проводимости и плотности электронных состояний пленок компенсированного а-Si:H с большой концентрацией примесей. Анализируется природа эффекта остаточной проводимости в компенсированном a-Si:H.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Микрокристаллический гидрированный кремний
В настоящее время наиболее широко используемым методом получения пленок nc-Si:H является метод плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси моносилана и водорода (PECVD) [91-94]. Получение пленок цс-ЭШ методом PECVD аналогично получению этим методом пленок a-Si:H. Единственное отличие состоит в том, что для получения nc-Si:H используется моносилан (SiH4) сильно разбавленный водородом (Нг). По мнению авторов [95], разбавление моносилана большим количеством водорода уменьшает скорость роста пленки и приводит к увеличению подвижности атомов кремния на ее поверхности. Это в свою очередь увеличивает вероятность формирования микрокристаллов и повышает однородность и плотность материала. Также в процессе роста пленки, водород пассивирует оборванные связи, образуя Si-H комплексы, и реконструирует слабые и напряженные Si-Si связи, что способствует упорядочиванию материала и увеличению доли кристаллической фазы (Хс) [96-98]. Легирование пленок микрокристаллического кремния, как и в случае а-Si:H, в методе PECVD осуществляется путем введения в реакционную камеру гидридов, как правило, пяти- или трехвалентных примесей (обычно диборана или фосфина) [99,100]. На основании данных, полученных с помощью использования различных методик, таких как: дифракция рентгеновских лучей (XRD) [101], просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ) [102], атомно-силовая микроскопия (AFM) [103], сканирующая электронная микроскопия (SEM) [104], эллипсометрия [98] и рамановское рассеяние [103], было установлено, что в наиболее общем случае микрокристаллический гидрированный кремний содержит кристаллическую фазу, аморфную фазу (a-Si:H) и поры. Кристаллическая фаза сформирована из микрокристаллов кристаллического кремния (c-Si), размером от нескольких единиц нанометров до нескольких десятков нанометров, которые объединены в колонны, располагающиеся перпендикулярно поверхности пленки и имеющие диаметр от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.
Между колоннами находятся поры и аморфный кремний (рис. 1.9) [105]. Одним из наиболее важных параметров, определяющих структуру и свойства пленок цс-ЭШ при их получении является содержание водорода в газовой смеси, то есть величина AH=[H2]/([H2]+[SiH4]). Этот параметр определяет в свою очередь долю кристаллической фазы содержащейся в пленке. В случае метода PECVD микрокристаллический кремний получается лишь для Ан 0.97 [97,106]. При этом доля кристаллической фазы оказывается довольно большой, Хс«85ч-90 %. В области Ан 0.97 пленки получаются аморфными. Исследования спектров инфракрасного поглощения в пленках цс-ЭШ показали, что атомы водорода связаны с атомами кремния в основном в дигидридной конфигурации (БіНг) [107]. В зависимости от условий получения jj.c-Si:H концентрация водорода может изменяться от нескольких атомных процентов до 15 ат. % [108,109]. Анализ корреляции размеров микрокристаллов и, соответственно, размеров их поверхности и концентрации водорода в пленках [108] указывает на то, что водород не содержится внутри микрокристаллов, а расположен, в основном, на их поверхности, а также в аморфной фазе. В работе [110] отмечается, что содержание водорода в пленках цс-БШ, полученных методом PECVD, уменьшается с увеличение частоты возбуждения плазмы тлеющего разряда. В отличие от a-Si:H плотность электронных состояний в запрещенной зоне цс-ві:Н исследована в значительно меньшей степени. На основании измерений электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) установлено, что основным типом дефектов в цс-ShH являются оборванные связи. Причем основная часть оборванных связей в цс-SkH находится на границах колонн микрокристаллов [104,111]. В работах [104,106, 110-114] было обнаружено два сигнала ЭПР, с различными значениями g-фактора (д=2.0052 и д=2.0043). Необходимо отметить, что существует некий разброс в приводимых в разных статьях значениях g-фактора.
Поскольку концентрация парамагнитных центров и значения д-фактора могут зависеть от концентрации водорода в газовой смеси, т.е. от значения Дн, и от температуры подложки в процессе получения пленки [106], то разброс в значениях g-фактора у разных авторов может быть связан с различными условиями получения пленок ac-Si:H. Резонанс с д=2.0052 приписывают нейтральным оборванным связям кремния (Si Si) [104,111,113]. Гораздо более сложным оказывается вопрос о природе состояний ответственных за резонанс с линией имеющей значение д=2.0043. К настоящему моменту не существует однозначного мнения по данному вопросу. Авторы работ [104,111,113], принимая во внимание тот факт, что в исследуемых ими пленках цс-БШ содержится большое количество атомов кислорода ( 1019 см"3) предполагают, что линия с д=2.0043 связана с оборванными связями кремния в сильно обогащенных кислородом областях цс-БШ. С другой стороны, в работе [110] резонансы с различными . g-факторами связывают с оборванными связями кремния на границах микрокристаллов друг с другом и на границах микрокристаллов с аморфной фазой. Необходимо отметить, что интенсивность сигнала ЭПР для д=2.0043 много меньше, чем для д=2.0052 и пик с д=2.0043 вообще пропадает для сильнолегированного цс-БМ р-типа. Кроме указанных двух линий, в спектрах ЭПР наблюдается еще пик с 9=1.996-1.998 [106,111,112,115,116].
По мнению авторов указанных работ, данный сигнал обязан своим происхождением состояниям в хвосте зоны проводимости HC-Si:H или состояниям легирующей примеси. Кроме того, в этих же работах, для uc-Si:H р-типа была обнаружена "широкая" линия с д«2.1. Пока не существует точного объяснения происхождения данной линии. Предполагается, что данный сигнал связан с дырками захваченными на хвост валентной зоны [111]. На основании данных, полученных из спектров ЭПР, авторы [111] предложили модель энергетического распределения плотности состояний в ЦС-Si:H. Схематично данная модель представлена на рис. 1.10. Как видно из рисунка практически по всей запрещенной зоне цс-ЭШ равномерно распределены состояния, соответствующие оборванным связям кремния. Вблизи зоны проводимости (Ес) и валентной зоны (Ev) имеются хвосты плотности состояний. Хвосты зон могут быть обусловлены тремя причинами: 1) наличием напряженных связей в аморфной фазе; 2) состояниями дефектов на границах колонн микрокристаллов или колонн микрокристаллов и аморфной фазы; 3) дефектами или примесями в кристаллической фазе [117]. Информацию о распределении плотности состояний в nc-Si:H можно получить не только из данных по ЭПР, но и из данных по кинетике спада фотопроводимости [118,119], из температурных зависимостей показателя люкс-амперной характеристики [120], а также методом фотомодулированной спектроскопии [121]. На основании этих данных можно заключить, что в jac-Si:H имеется экспоненциальный хвост электронных состояний вблизи зоны проводимости.
Метод фотомодуляционной спектроскопии
Одним из методов, позволяющих получить информацию об энергетическом распределении локализованных электронных состояний вблизи краев зон (выше EF в материалах n-типа и ниже EF в материалах р-типа) является метод фотомодуляционной спектроскопии (МРС). Основы данной методики для исследования неупорядоченных полупроводников были развиты в работе [122]. В методе МРС измеряется переменная составляющая фотопроводимости при возбуждении образца синусоидально модулированным светом с частотой со. При этом излучение, падающее на образец, состоит из постоянной составляющей и переменной (синусоидальной), то есть интенсивность света можно представить в виде: lo+lisin(cot). В работе [122] было показано, что в этом случае распределение плотности электронных состояний для материалов n-типа определяется Ф выражением: где ф - сдвиг фаз между сигналом фотопроводимости и возбуждающим образец светом, EF" - квазиуровень Ферми для электронов, тп - время жизни электронов, По. - постоянная составляющая концентрации свободных электронов. Как видно из обзора литературы, данные о распределении плотности электронных состояний в запрещенной зоне nc-Si:H и щели подвижности легированного и компенсированного a-Si:H немногочисленны и противоречивы. Так, считается общепринятым существование хвостов плотности состояний в запрещенной зоне p.c-Si:H вблизи валентной зоны и зоны проводимости.
Однако на данный момент имеются экспериментальные данные лишь о хвосте плотности состояний вблизи зоны проводимости, в то время как исследований распределения плотности состояний вблизи валентной зоны проведено не было. « Как упоминалось в обзоре литературы, в a-Si:H, легированном эрбием наблюдается эффективная электро- и фотолюминесценция на длине волны 1.54 мкм. В последнее время были получены данные о влиянии легирования а-Si:H эрбием на проводимость и фотопроводимость. Однако, исследования влияния легирования эрбием на свойства a-Si:H не затрагивали вопрос об изменении плотности состояний в щели подвижности материала. Не проводилось также сравнительных анализов влияния на свойства a-Si:H легирования эрбием и атомами «традиционных» примесей. В то же время, изменение при легировании плотности состояний в верхней половине щели подвижности может оказывать существенное влияние как на равновесные свойства a-Si:H, так и на процессы, происходящие в неравновесных условиях. Также, анализ литературы показывает, что на данный момент не существует единого мнения по поводу природы остаточной фотопроводимости, наблюдаемой в результате предварительного освещения пленок компенсированного a-Si:H. Не выяснена роль положения уровня Ферми и концентрации атомов фосфора и бора в пленках компенсированного a-Si:H. Кроме того, неизвестен характер изменения плотности состояний в верхней половине щели подвижности компенсированного a-Si:H n-типа в результате освещения. В обзоре литературы также приведены описания наиболее широко используемых фотоэлектрических методов исследования плотности состояний в щели подвижности неупорядоченных материалов. Как было указано, существующие методы обладают рядом недостатков, в частности в методе фотомодуляционной спектроскопии для получения информации о плотности состояний в верхней половине щели подвижности требуется знание кинетических параметров материала, точные значения которых не всегда известно. В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи: 1. Разработать метод определения плотности состояний в верхней половине запрещенной зоны фоточувствительных неупорядоченных полупроводников, основанный на измерении нестационарной фотопроводимости и не требующий знания кинетических параметров материала. 2. Исследовать распределение плотности локализованных электронных состояний в щели подвижности fxc-Si:H. 3.
Провести сравнительные исследования влияния легирования редкоземельными элементами (эрбием) и «традиционными» примесями (мышьяком) на плотность электронных состояний в щели подвижности a-Si:H. 4. Исследовать влияние положения уровня Ферми на фотоиндуцированное изменение проводимости и плотности состояний в щели подвижности a-Si:H. 5. Провести исследования влияния предварительного освещения на плотность электронных состояний в щели подвижности компенсированного a-Si:H. В настоящей работе исследовались образцы микрокристаллического кремния, с различным уровнем легирования бором, образцы аморфного кремния, содержащие различную концентрацию атомов эрбия, а также образцы компенсированного аморфного кремния с различной степенью компенсации. Все исследованные в работе пленки были получены в Марбургском университете в Германии. Подробнее условия получения образцов и их параметры будут представлены в соответствующих разделах главы 3 и главы 4.
Методика измерения плотности электронных состояний из измерений температурных зависимостей переменной и постоянной составляющих фотопроводимости
Измерения нестационарной фотопроводимости при модулированном возбуждении использовались в ряде работ для получения информации о параметрах, определяющих процессы рекомбинации и захвата носителей, а также об энергетическом спектре ловушек в аморфных полупроводниках. Как упоминалось в обзоре литературы, одним из таких методов является метод фотомодуляционной спектроскопии [122]. Во всех известных нам работах для получения информации о распределении плотности состояний NJE) в a-Si:H и цс-ShH измерялся сдвиг фаз между сигналом фотопроводимости и модулированным падающим светом при разных частотах модуляции. В настоящей работе предлагается метод получения информации о распределении плотности электронных состояний из измерений переменной и постоянной составляющих фотопроводимости. Для установления соотношения между величиной фотопроводимости материала в условиях модулированного возбуждения и плотностью состояний рассмотрим подробнее решение кинетического уравнения при модулированном возбуждении неравновесных носителей заряда, представленного в [122]. Предполагается, что фотопроводимость определяется движением электронов, причем перенос носителей, возбужденных межзонным светом, осуществляется по делокализованным состояниям зоны проводимости. Будем рассматривать четыре процесса, определяющие заполнение электронных состояний: 1) Возбуждение неравновесных электронов в зону проводимости модулированным межзонным светом. 2) Захват свободных носителей с концентрацией п0 на локализованные состояния, расположенные ниже дна зоны проводимости Nt(E). 3)
Выброс захваченных на ловушки носителей nt(E) на уровень протекания, который будем предполагать совпадающим с краем зоны проводимости Ес. 4) Рекомбинация свободных электронов с захваченными дырками с характерным временем рекомбинации тп. В этом случае для изменения концентрации свободных носителей можно записать: Первые два слагаемых в правой части уравнения определяют постоянную (Go) и переменную (Gi) с частотой f=co/27t составляющие скорости генерации неравновесных носителей, последнее слагаемое есть скорость рекомбинации (л- концентрация свободных носителей в темноте). Интеграл, входящий в уравнение учитывает выброс и захват электронов на состояния, расположенные выше темнового уровня Ферми EF. Кинетическое уравнение для электронов, захваченных на уровень с энергией Е имеет вид: где v - тепловая скорость, S - эффективное сечение захвата, ЩЕ) - плотность состояний ловушек (то есть плотность состояний вблизи зоны проводимости) и N c - эффективная плотность состояний в зоне проводимости. Первое слагаемое определяет захват на уровни прилипания, а второе определяет выброс в зону. Решение приведенных уравнений (1) и (2) имеет вид: Подставляя решение (2.6), (2.7) в уравнения (2.4), (2.5), получим: F где EF- квазиуровень Ферми для свободных электронов. Постоянная составляющая концентрации имеет вид: D - определяет отношение частоты модуляции к скорости термического выброса электронов с квазиуровня Ферми и выражается: Величина (Ес-Ео) имеет простой физический смысл и определяет положение характерного уровня энергии. Электроны, захваченные на состояния, расположенные выше Ею, находятся в термическом равновесии с электронами в зоне. В то же время, электроны, захваченные на состояния ниже Еш, не принимают участие в переносе заряда в течение времени t 1/co. Согласно [122], для достаточно больших частот модуляции, когда D»1 (Еш-Ер" 0), значения А и В приближенно определяются выражениями:
Эти соотношения связывают амплитуду и фазу переменной составляющей неравновесной концентрации свободных носителей с распределение плотности электронных состояний в верхней половине щели подвижности ЩЕ). Данное соотношение позволяет определить N,(EF") из измерений tgcp. Однако также необходимо знать «0и т„. Заметим, что проведение измерений в условиях больших частот модуляции D 1 иногда вызывает существенные затруднения. Увеличение частоты модуляции в ряде случаев приводит к существенному уменьшению величины переменного сигнала и, соответственно, затруднению его регистрации. Для малых частот модуляции, в случае D 1 (Ea-EF" 0) выражения для А и В принимают вид [122]:
Влияние освещения на плотность состояний в щели подвижности компенсированного a-Si:H с большой концентрацией примесей
Для выяснения влияния компенсирующей примеси на фотоиндуцированное изменение электрических параметров пленок мы провели исследования пленок a-Si:H, с большой концентрацией примесей в которых сохранялась концентрация введенной акцепторной примеси (бор), а положение уровня Ферми изменялось в результате изменения введенной донорной примеси (фосфор). Набор образцов компенсированного a-Si:H был получен одновременным разложением моносилана, фосфина и диборана в ВЧ тлеющем разряде при температуре подложки (кварц) 250 С. Объемное соотношение диборана и силана кгИВгНбИвіЬЦ] составляло 3-Ю 5. В то же время объемное отношение фосфина и силана в газовой смеси ki=[PH3]/[SiH4] изменялось от 10"5 до 10"4. Как и в предыдущем разделе для указания степени компенсации пленок будет использоваться величина k=(k2 106)/(ki-106). В таблице 4.2 приведены уровни легирования исследованных компенсированных пленок фосфором и бором, а также степень компенсации. Пленки имели толщину 0,8-1,5 мкм. Для проведения электрических и фотоэлектрических измерений на поверхность пленок были напылены омические хромовые контакты длиной 3-5 мм, расстояние между контактами составляло 0,3 - 0,6 мм.
На рис. 4.2.1 показаны температурные зависимости проводимости исследованных пленок после их отжига при температуре Т=450 К в течение 30 мин. Температурные зависимости имеют активационный характер во всей области исследованных температур. Как видно из рисунка, увеличение концентрации введенного фосфора приводит к увеличению проводимости пленок. Положение уровня Ферми при комнатной температуре, полученное из величины темновой проводимости представлены в таблице 4.3, а зависимости положения уровня Ферми от температуры, полученные из температурных зависимостей проводимости с использованием выражения 4.1 - на рис. 4.2.2. Поскольку, как упоминалось выше, при увеличении температуры уровень Ферми смещается к минимуму плотности электронных состояний в щели подвижности, то из полученных зависимостей следует, что, если легирование не приводит к изменению положения минимума плотности состояний, то минимум плотности состояний в случае компенсированного a-Si:H располагается в области энергий 0,45-0,6 эВ ниже дна зоны проводимости. На рис. 4.2.3 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения a(hv), полученные методом постоянного фототока для некоторых из исследованных образцов. Как видно из рисунка, при увеличении степени компенсации и, следовательно, смещении уровня Ферми к середине щели подвижности поглощение в "дефектной области" спектра уменьшается. Данный результат указывает на то, что уменьшается плотность состояний дефектов в середине щели подвижности, что согласуется с данными, полученными для пленок с малыми концентрациями примесей (см. рис. 4.1.3). На рис. 4.2.4 показано влияние освещения на проводимость компенсированных пленок с большой концентрацией примесей в результате освещения при Т=363К. Как будет показано ниже, релаксация проводимости после прекращения освещения существенно зависит как от уровня компенсации исследованных пленок (положения уровня Ферми в щели подвижности), так и от продолжительности освещения и температуры, при которой проводилось освещение. Результаты, представленные на рисунке 4.2.4. были получены для значений проводимости, измеренных через 30 секунд после прекращения освещения образцов. Заметим, что при этом основной характер полученных зависимостей и основные закономерности их взаимного расположения сохраняются.
Из рисунка видно, что для пленки с к=30/60, у которой уровень Ферми расположен в середине щели подвижности, характер изменения проводимости с освещением близок к зависимости, полученной для пленки с к=3/2 (см. предыдущий раздел): при малых временах освещение происходит небольшое увеличение проводимости и затем ее уменьшение. В тоже время в отличие от пленок с малой концентрацией компенсирующей примеси бора (представленных в разделе 4.1) при увеличении концентрации введенного фосфора и, соответственно, смещения уровня Ферми к краю зоны проводимости проводимость пленок в результате освещения возрастает, то есть наблюдается эффект так называемой остаточной фотопроводимости. Максимальная величина остаточной фотопроводимости наблюдается для пленок с к=30/90 и к=30/150, то есть для пленок, у которых уровень Ферми расположен на глубине 0.6-0.7 эВ от края зоны проводимости, а минимальная, соответственно, для пленок с к=30/60 и к=30/300.
Величина остаточной фотопроводимости возрастает при малых временах освещения и уменьшается при больших временах. Изменение положения уровня Ферми в процессе освещения исследованных компенсированных пленок при температуре Т=363 К показано на рис. 4.2.5. Кинетика фотоиндуцированного изменения проводимости зависит от температуры, при которой производится освещение. На рис. 4.2.6 (а, Ь, с) показано влияние температуры освещения на кинетику фотоиндуцированного изменения проводимости, полученную для образцов с к=30/60, 30/90 и 30/150. Аналогичный характер изменения кинетики при изменении температуры наблюдался для других образцов. Немонотонный характер фотоиндуцированного изменения проводимости указывает на возможность существования двух процессов, определяющих изменение проводимости, один из которых приводит к фотоиндуцированному увеличению проводимости, а другой к ее уменьшению. Из сопоставления зависимостей, представленных на рис. 4.2.4 видно, что переход от увеличения к уменьшению остаточной фотопроводимости со временем освещения уменьшается для пленок, уровень Ферми которых приближается к
