Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Влияние зарядового состояния дефектов на индуцированную светом кинетику фотопроводимости аморфного гидрированного кремния й О.А. Голикова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 мая 1997 г. Принята к печати 7 июня 1997 г.) Проведены исследования фотопроводимости и плотности дефектов в пленках нелегированного a-Si : H под воздействием света (W = 114 мВт / см2, < 0.9мкм) в течение 5 ч. Показано, что ph t- и ND t, причем > или в зависимости от положения уровня Ферми до засветки, т. е. в зависимости от зарядового состояния дефектов: D- и D0 или D+ и D0. Показано также, что на индуцированную светом кинетику ph влияет переход дефектов в состояние D0 за счет соответствующего сдвига уровня Ферми при засветке.

1. Введение кинетики ph пленок нелегированного a-Si : H, имеющих различную микроструктуру, определяемую температуСтабильность фотоэлектрических параметров аморфрой их осаждения (Ts = 133-267C).

ного гидрированного кремния (a-Si : H), подвергнутоВ настоящей работе исследовалась индуцированная го внешним воздействием (свет, электрическое поле светом кинетика ph и ND пленок a-Si : H, осаждени др.), остается одной из ключевых проблем, касаюных при Ts = 300C и подробно охарактеризованщихся приборных применений этого материала. Эффект ных в [6]. Положение уровня Ферми нелегированСтаблераЦВронского (СВ), открытый 20 лет назад, соного a-Si : H варьировалось в следующих пределах:

стоит в падении как темновой (d), так и фотопроc - F = 0.45-0.85 эВ (c Ч край зоны проводимости).

водимости (ph) a-Si : H под действием интенсивности Соответственно этому изменялось зарядовое состояние засветки, т. е. происходит деградация ph при сдвиге уровдефектов: в направлении от D- к D0 и далее к D+ [7].

ня Ферми (F) в сторону середины щели подвижности.

Цель настоящей работы Ч определение влияния заряДалее было установлено, что при засветке возрастает дового состояния дефектов на индуцированную светом плотность дефектов Ч оборванных связей SiЦSi (ND).

кинетику ph a-Si : H.

Поскольку при этом применялся метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), было сделано заключение, что индуцированные светом дефекты находятся в 2. Эксперимент состоянии D0, и деградация ph обусловлена ростом ND.

Несмотря на очень большое число работ, посвященПленки освещались при комнатной температуре в ных исследованиям эффекта СВ, его природа до сих течение 5 ч источником света со следующими характерипор остается не выясненной. В литературе имеются не стиками: W = 114 мВм / см2, < 0.9 мкм. Измеряемая однозначные, а иногда и противоречивые данные о роли в зависимости от времени освещения ph аппроксимироразличных структурных характеристик для эффекта СВ, валась степенной функцией: ph t-, где величина даже о роли водорода до сих пор ведутся дискуссии.

характеризует Фскорость деградацииФ [8]. ФотопроводиВ последнее время вновь обратили внимание на то, что мость измерялась при комнатной температуре, скорости при засветке скорость падения ph значительно выше, генерации носителей заряда G = 1019см-3 с-1, энергии чем скорость возрастания ND, т. е. индуцированные свефотонов h = 2 эВ. Плотность дефектов также аппроктом кинетики ph и ND различны [1]. Поэтому естественсимировалась степенной функцией: ND t. Для опрено предположить, что, помимо роста ND, происходят деления ND применялся метод постоянного фототока, другие изменения структуры пленки a-Si : H, влияющие дающий в отличие от ЭПР информацию о плотности дена ph. Действительно, некоторые изменения структуры фектов независимо от их зарядового состояния. Темновая a-Si : H при засветке были обнаружены, но их влияние на проводимость измерялась для определения сдвига уровph пока остается не выясненным. Так, в [2] установили, ня Ферми под влиянием засветки: c - F = kT ln 0/d, что эффект СВ сопровождается уменьшением энтропии где T = 300K, 0 = 150 Ом-1 см-1.

a-Si : H; предполагается, что происходит упорядочение структуры на уровне ближнего порядка. Кроме того, на основе данных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 3. Результаты эксперимента в [3] заключили, что эффект СВ сопровождается измеи их обсуждение нениями структуры пленки на уровне среднего порядка;

предполагается, что это происходит вследствие изменеНа рис. 1 представлены зависимости ND/ND(0) от ния зарядового состояния дефекта. На основе модели перезарядки дефектов под действием засветки [4] авто- времени засветки для ряда исследованных пленок a-Si : H ры [5] объяснили особенности индуцированной светом (здесь ND(0) Ч плотность дефектов до засветки). На 346 О.А. Голикова области I >, в областиII Ч, т. е. значительное расхождение между скоростью возрастания плотности дефектов и скоростью падения фотопроводимости наблюдается только для области I.

ФГраницаФ между областями I и II соответствует величине c-F собственно a-Si : H. Именно эта точка является ФособойФ на кривых, представляющих не монотонные зависимости ряда структурных параметров от c - F (рис. 5): плотности дефектов, содержания связанного водорода в пленке, параметра Урбаха, рамановской частоты TO и ширины соответствующей полосы TO. Отмечаются также различия в величинах микроструктурного параметра, R, и оптической ширины щели подвижноРис. 1. Индуцированная светом кинетика плотности дефектов сти, Eg. Кроме того, как показал анализ инфракрасных и в пленках a-Si : H. c-F, эВ: 1 Ч 0.45, 2 Ч 0.55, 3 Ч 0.65, рамановских спектров, пленки из области II отличаются 4 Ч 0.70, 5 Ч 0.76, 6 Ч 0.82, 7 Ч 0.85.

более крупным масштабом неоднородностей структуры Рис. 2. Зависимость параметра (ND t) от положения уровня Ферми (c - F).

основе этих данных был определен параметр, характеризующий скорость возрастания величины ND, в зависимости от положения уровня Ферми, c - F (рис. 2). Видно, что сначала возрастает с ростом Рис. 3. Индуцированная светом кинетика фотопроводимости c - F, а затем несколько уменьшается. Максимальпленок a-Si : H. Номера пленок и соответствующие c-F такие ная величина достигается для ФсобственногоФ a-Si : H же, как на рис. 1. Стрелками показаны пределы изменений (c - F = 0.70 эВ), имеющего до засветки минимальlg ph/ph(0) для пленок 5Ц7.

ную плотность дефектов [6]. Следует отметить, что на данном отрезке времени засветки величина не превышает 0.1, т. е. возрастание ND очень медленное. При дальнейшем значительном увеличении времени засветки следует ожидать возрастания скорости роста ND, как, например, в [9]. Однако тогда, в большинстве случаев, ND(t) уже нельзя аппроксимировать простой степенной функцией (ND(t) представляют в виде так называемой ФрастянутойФ экспоненты). То же самое относится и к ph(t). Поэтому мы ограничиваемся сравнительно не большим временем засветки, когда удобно сравнивать скорости изменения ph и ND (величины и ).

На рис. 3 представлены зависимости ph/ph(0) от времени засветки для ряда исследованных пленок (ph(0) Ч величина фотопроводимости до засветки).

Величина как функция c - F представлена на рис. 4.

Видно, что на рис. 4 можно выделить две области: в Рис. 4. Зависимость параметра (ph t-) от положения области I = 0.6-0.4, затем наблюдается резкое уровня Ферми (c - F). На рисунке области I и II (пояснения падение, и в области II < 0.1. Таким образом, в см. в тексте).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние зарядового состояния дефектов на индуцированную светом кинетику... не отмечается, поскольку образование индуцированных светом дефектов (D0) не может сильно изменить эффективное сечение захвата электронов.

Таким образом, данные о индуцированной светом кинетике ph (рис. 4) соответствуют данным, представленным на рис. 5, и интерпретируются на основе одних и тех же представлений.

Далее проводился анализ результатов, полученных для пленок a-Si : H, принадлежащих к области I, чтобы в явном виде определить зависимость фотопроводимости от плотности дефектов при засветке. На рис. 6 (кривая 1) ph/ph(0) представлена как функция ND/ND(0) для одной из пленок. До засветки она характеризуется величиной c - F = 0.65 эВ и, согласно [10], для нее 0 ND/ND 0.1. Видно, что ph/ph(0) резко падает с ростом ND/ND(0): степенная зависимость, близкая -к ph ND, отвечает существующему значительному расхождению между величинами и (рис. 2 и 4).

Исходя из того, что ph определяется не всеми дефектами, а только теми из них, которые находятся в состоянии D0, можно было ожидать обратной пропорциРис. 5. Параметры структуры пленок до их засветки в ональности между величинами ph/ph(0) и ND/ND(0), зависимости от уровня Ферми [6]. 1 Ч плотность дефектов, где ND Ч плотность фотоиндуцированных дефектов, 2 Ч содержание связанного водорода, 3 Ч параметр Урбаха, но этого не наблюдается для пленок, принадлежащих 4 Ч рамановская частота TO-фононов, 5 Ч ширина TO-пика.

к области I. Для рассматриваемой выше пленки полуНа риcунке приведены также данные о микроструктурном чается зависимость, близкая к ph (ND)-2 (рис. 6, параметре R, об оптической ширине щели подвижности Eg, и кривая 2).

показаны области I и II (см. рис. 4).

При проведенном анализе результатов, однако, не учитывался сдвиг уровня Ферми под действием засветки.

Как следует из данных о d рассматриваемой пленки, после 5 часов засветки F сдвигается в точку, соотпо сравнению с пленками из области I. Тем не менее ветствующую собственному a-Si : H, где все дефекты фотопроводимость монотонно падает с ростом c-F [6].

В области I она падает при одновременном падении плотности дефектов, в области II Ч при ее возрастании;

очевидно, что дефекты в указанных областях находятся в различных зарядовых состояниях: если в ФсобственномФ a-Si : H (c-F = 0.70 эВ) дефекты находятся в нейтральном состоянии D0, то при движениях F в сторону c или v все большая часть дефектов находится в заряженных состояних D- или D+, как в a-Si : H, легированном донорными или акцепторными примесями [10].

Действительно, в области I фотопроводимость определяется не всеми дефектами (D- и D0), а только дефектами, имеющими большое сечение захвата электронов Ч D0, доля которых резко растет при приближении к c - F = 0.70 эВ. В противоположность этому в области II фотопроводимость определяется всеми дефектами (D0 и D+), плотность которых возрастает при отдалении от точки c - F = 0.70 эВ (рис. 5).

Вернемся теперь к обсуждению результатов об индуцированной светом кинетике фотопроводимости и рассмотрим вновь область I (рис. 4). Поскольку индуциРис. 6. Зависимость фотопроводимости от плотности дефекрованные светом дефекты находятся в состоянии D0, тов при засветке (пленка 3, см. рис. 1 и3) ((0) и ND(0) Чфодаже небольшое их число сильно увеличивает эффективтопроводимость и плотность дефектов до засветки). Кривая ное сечение захвата электронов. Поэтому и существует построена в зависимости от ND/ND(0), 2 Чот ND/ND(0), значительное расхождение между величинами и.

3 Ч от плотности дефектов в состоянии D0 (пояснение см. в Что касается области II, то, как было сказано выше, тексте). 4 построена для пленки 4 (см. рис. 1 и 3) в зависимости значительного расхождения между величинами и там от ND/ND(0).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 348 О.А. Голикова -(существующие до засветки и индуцированные светом) ph ND0, которое для собственного a-Si : H получается находятся в состоянии D0. Поэтому, если на началь- автоматически, так как для него =, и все дефекты (до ной стадии засветки, когда ND0/ND- 0.1, плотность засветки и индуцированные) находятся в состоянии D0.

дефектов в состоянии D0 можно считать равной ND, Таким образом, интерпретация данных об индуцито в конце засветки она равна ND. Исходя из этого рованной светом кинетики фотопроводимости a-Si : H, была построена кривая 3, рис. 6. Она с хорошей полученных в настоящей работе, не требует привлечения степенью точности действительно отражает обратную предложений о каких-либо изменениях структуры в репропорциональность между ph и плотностью дефектов, зультате засветки, влияющих на ph, кроме возрастания находящихся в состоянии D0.

плотности дефектов. Однако изменения кинетики ph в Рассмотрим теперь данные, полученные для собзависимости от положения уровня Ферми обусловлены ственного a-Si : H. На рис. 6 представлена зависимость выше перечисленными особенностями структуры пленок lg ph/ph(0) от lg ND/ND(0) для пленки N4 (кривая 4).

до их засветки, также зависящими от c - F: различные -Видно, что ph ND (это соответствует равенству зарядовые состояния дефектов взаимосвязаны с особен и, рис. 2 и 4), а поскольку здесь ND = ND0, то ностями структуры пленок a-Si : H.

-ph ND0.

Работа была поддержана грантом INTAS N 931916.

Как было показано выше, для пленки из области I аналогичный результат получается при обязательном учете изменения соотношения между ND- и ND0 на Список литературы начальной стадии засветки и сдвига уровня Ферми в точку c-F = 0.70 эВ в конце засветки. Очевидно, [1] P. Tzanetakis, N. Kopidakis, M. Androulidaki, C. Kalpouzos, P. Stradins, H. Fritzsche. MRS Symp. Proc., 377, 245 (1995).

что для собственного a-Si : H этого не требуется. Что [2] C.M. Fortmann. R.M. Dawson, H.Y. Liu, C.R. Wronski.

касается пленок из области II, подвергнутых засветке, J. Appl. Phys., 76, 768 (1994).

то определить влияние дефектов в состоянии D0 на их [3] H.M. Branz, P.A. Fedders. MRS. Symp. Proc., 338, фотопроводимость не удается, поскольку одновременно (1994).

существующие дефекты в состоянии D+ являются еще [4] F. Irrera. J. Appl. Phys., 75, 1396 (1994).

более эффективными центрами захвата электронов.

[5] D. Caputo, G. de Cesare, F. Irrera, F. Palma, M.C. Rossi, G. Conte, G. Nobile, G. Fameli. J. Non-Cryst., 170, (1994).

4. Заключение [6] О.А. Голикова, В.Х. Кудоярова. ФТП, 29, 1128 (1995).

[7] О.А. Голикова. ФТП, 25, 1517 (1991).

В результате исследований индуцированной светом [8] E. Sauvain, P. Pippoz, A. Shan, J. Hubin. J. Appl. Phys., 75, кинетики фотопроводимости (ph t-) и плотнос1772 (1994).

ти дефектов (ND t) для нелегированных пле[9] P. Morin, C. Godet, B. Equer, P. Roca i Cabarrocas. Proc.

нок a-Si : H при вариациях положения уровня Ферми 12 th European Photovoltaic Solar Energy Conference (c-F = 0.45-0.85 эВ) было установлено, что соот(Amsterdam, April 1994) 687.

ношение между величинами и сильно зависит от [10] M. Sturzmann, W.B. Jackson. Sol. St. Commun., 62, c-F. В области I, где c - F = 0.45-0.69 эВ, (1987).

существенно выше, чем. Далее происходит резкое Редактор В.В. Чалдышев уменьшение величины, и в области II, при больших c - F,. Особенности индуцированной светом кинетики ph объясняются различиями зарядовых Effect of a defect charge state on light состояний дефектов в зависимости от положения F:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам