СОДЕРЖАНИЕ
ЕДЕНИЕ.........................................................5
та 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................................10
1.1. Особенности структуры и плотности состояний в а-БгН..10
1.1.1. Структура а-Бг.Н.............................10
1.1.2. Распределение плотности состояний в а-БгН....11
1.1.3. Оптическое поглощение в а-БЕН................14
1.2. Темновая проводимость в а-БЕН.........................20
1.3. Фотопроводимость в а-БпН..............................24
1.3.1. Генерация и рекомбинация неравновесных
носителей в а-БпН............................24
1.3.2. Экспериментальные результаты по фотопроводимости в а-БпН................................27
1.3.3. Численный расчёт температурных зависимостей фотопроводимости...........................39
1.4. Влияние предварительного освещения на величину темновой проводимости и фотопроводимости в а-БкН...........40
лава 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ......................................47
2.1. Приготовление плёнок аморфного гидрированного кремния.. .47
2.2. Установка для фотоэлектрических измерений.............47
2.3. Определение спектральных зависимостей коэффициента поглощения методом постоянного фототока....................50
2.4. Определение спектральных зависимостей коэффициента поглощения в условиях сильного фонового возбуждения........51
Глава 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СДВИГ УРОВНЯ ФЕРМИ В ПЛЁНКАХ
а-БкН, ЛЕГИРОВАННОГО БОРОМ..............................53
3.1. Температурные зависимости темновой проводимости.......53
3.2. Статистический сдвиг уровня Ферми.....................55
з
Глава 4. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ а-Бі:Н, ЛЕГИРОВАННОГО
БОРОМ...................................................62
4.!. Определение концентрации оборванных связей с помощью
спеюгра коэффициента поглощения.....................62
4.2. Зависимость величины фотопроводимости а-Бі:Н от уровня легирования бором...........................................65
4.3. Уравнение электронейтральности для а-Бі:Н/>-типа.......65
4.4. Объяснение слабой зависимости величины фотопроводимости от положения уровня Ферми...................................70
4.5. Температурные зависимости фотопроводимости исследованных плёнок а-Бі:Н/>типа...........................73
4.5.1. Первая температурная область.................76
4.5.2. Вторая температурная область.................78
4.5.3. Третья температурная область.................80
4.6. Зависимость величины фотопроводимости от интенсивности возбуждающего света.........................................83
4.7. Влияние предварительного освещения на температурные
зависимости фотопроводимости а-Бі:Н, легированного бором..87
4.8. Влияние значения температуры, при которой происходит предварительное освещение, на температурные зависимости фотопроводимости слаболегированного бором а-Бі:Н.............98
4.9. Перезарядка £-центров в нелегированных плёнках а-БігН, в которых наблюдается температурное гашение фотопроводимости............................................106
4.9.1. Метод получения спектра коэффициента поглощения ос(Гп') из спектра фотопроводимости, полученного в условиях сильной подсветки..........106
4.9.2. Спектры коэффициента поглощения а(Ьу) не-легированных пленок а-Бі:Н в условиях сильной подсветки.........................................108
4
Глава 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ...................................116
5.1. Модель..................................................117
5.2. Выбор параметров........................................120
5.3. Результаты численного расчёта...........................121
5.3.1. Зависимость величины фотопроводимости от положения уровня Ферми................................121
5.3.2. Зависимость концентрации /У'-центров от положения уровня Ферми......................................123
5.3.3. Влияние концентрации оборванных связей на вид ТЗФ...................................................123
5.3.4. Влияние параметров эффективного уровня, характеризующего хвост валентной зоны, на вид ТЗФ...................................................133
5.3.5. Влияние параметров эффективного уровня, характеризующего хвост зоны проводимости,
на вид ТЗФ....................................138
5.3.6. Влияние величины темпа оптической генерации
на вид ТЗФ....................................140
5.3.7. Выводы к главе 5...............................146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА..
148
151
ВВЕДЕНИЕ
5
Актуальность темы. После получения солнечной батареи на основе аморфного гидрированного кремния (а-БкН) в 1974 году и сообщения о возможности легирования а-виН в 1975 году сильно возрос интерес к этому материалу. Последовавшие за этим исследования плёнок а-ЭйН показали, что они обладают возможностью эффективного легирования, большим коэффициентом поглощения и высокой фоточувствительностью (отношение фотопроводимости к темновой проводимости может принимать значение 10'* и выше). Возможность направленного изменения свойств а-БйН и относительная дешевизна этого материала (по сравнению со стоимостью получения кристаллических полупроводников) обеспечили его широкое использование в солнечной энергетике и оптоэлектронике. Однако, несмотря на многочисленные исследования свойств а-8г.Н в настоящее время остаётся много вопросов в понимании физических процессов, связанных с транспортом и рекомбинацией носителей, ролью дефектов и т.д. Трудности исследований свойств а-БкН обусловлены прежде всего высокой чувствительностью параметров этого материала к условиям его получения. Это приводит к разбросу и противоречивости результатов, полученных в разных лабораториях, и затрудняет выяснение основных закономерностей в поведении физических параметров.
Среди плёнок а-впН с разным типом легирования наименее исследованы плёнки />-типа (плёнки, легированные акцепторами, как правило, бором). Несмотря на широкое использование а-ЭкН р-типа до сих пор нет ясности в понимании характера влияния уровня легирования акцепторами на фото-элсктрические свойства а-БйН. Также недостаточно изучено влияние предварительного освещения, приводящего к изменению распределения плотности состояний в щели подвижности, на фотоэлектрические свойства а-ЭкН р-типа. Отсутствие таких исследований обусловливает сложность понимания характера зависимости такого важного параметра, как фото-
6
проводимость, от положения уровня Ферми и концентрации дефектов в а-вйНр-типа.
Цель работы состояла в исследовании влияния уровня легирования бором и предварительного освещения на величину фотопроводимости и характер температурных зависимостей фотопроводимости а-БйН.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе:
1. Проведены комплексные исследования электрических, оптических и фотоэлектрических свойств плёнок а-БиН р-типа с различным уровнем легирования в широком интервале температур (от 120 до 450К);
2. Обнаружено, что, в отличие от плёнок а^кН «-типа, фотопроводимость плёнок а-БкН р-типа слабо зависит от уровня легирования бором и концентрации дефектов типа оборванной связи в области комнатных температур. Показано, что при этих температурах предварительное освещение не оказывает существенного влияния на фотопроводимость легированных бором плёнок а-ЯШ;
3. Проведено численное моделирование процессов рекомбинации, определяющих фотопроводимость в нелегированных и легированных плёнках а-8пН. Построены зависимости фотопроводимости от температуры, положения уровня Ферми в щели подвижности, концентрации дефектов. Результаты расчета показывают, что между а-ЯпН «- и р-типа имеется существенное различие в заполнении локализованных состояний в щели подвижности в условиях освещения: в а-8кН «-типа заполнение состояний оборванных связей при комнатной температуре совпадает с равновесным заполнением, а в а-$г.Н р-типа - существенно отличается от равновесного. Это различие, обусловленное разной “протяжённостью” хвостов валентной зоны и зоны проводимости, успешно объясняет экспериментально наблюдаемые в а-Бг.Н «- и р-типа различия влияния на фотопроводимость уровня легирования, концентрации дефектов и предварительного освещения.
7
Практическая ценность.
Полученные результаты позволяют совершенствовать технологические методы получения a-Si:H р-типа с заданными свойствами. Обнаруженная “устойчивость” величины фотопроводимости a-Si:H p-типа при температурах от 200 до 300 К к предварительному освещению может служить рекомендацией для использования данного материала при создании оптоэлектронных приборов со стабильными при световом воздействии параметрами.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Обнаружено, что в области комнатных температур величина фотопроводимости в плёнках a-Si:H p-типа не -зависит от положения уровня Ферми и концентрации дефектов типа оборванных связей.
2. Обнаружено, что предварительное освещение легированных бором плёнок a-Si:H при комнатной температуре не оказывает существенного влияния на величину фотопроводимости при температурах, когда функция заполнения локализованных состояний в щели подвижности является существенно неравновесной (Т~ 200-300 К).
3. На основании численного расчета фотопроводимости показано, что величина фотопроводимости в плёнках a-Si:H p-типа определяется концентрацией нейтральных оборванных связей, которая при температурах ниже комнатной существенно отличается от равновесной и в свою очередь определяется величиной неравновесного положительного заряда в хвосте валентной зоны, а при температурах выше комнатной - положением уровня Ферми и полной концентрацией оборванных связей.
8
4. С помощью численного моделирования процессов рекомбинации показано, что экспериментально обнаруженные в плёнках слаболегированного а-БпН /т-типа при низких температурах смена типа фотопроводимости и температурное гашение фотопроводимости яатя-ются результатом существенной перезарядки состояний оборванных связей.
Содержание работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 160 страниц, включая 50 рисунков. Библиография содержит 116 наименований.
Первая глава носит обзорный характер. В ней обобщены и систематизированы литературные данные, касающиеся структуры плёнок а-БкН и их основных оптических, электрических и фотоэлектрических свойств. Подчёркивается, что интерпретация этих фотоэлектрических свойств сводится к выяснению рекомбинационных процессов, которые во многом определяются типом рекомбинационных состояний и их распределением в щели подвижности. Указывается, что наименее исследованы фотоэлектрические свойства в плёнках а-БпН/т-типа. В конце главы содержится постановка задачи. Вторая глава посвящена технологии получения исследованных плёнок а-БпН, легированных бором, и описанию экспериментальных методов, использовавшихся в работе. Основные результаты изложены в третьей, четвёртой и пятой главах. Третья глава посвящена исследованиям статистического сдвига уровня Ферми, определяемого из температурных зависимостей темновой проводимости. В четвёртой главе содержатся основные результаты исследований фотоэлектрических свойств плёнок а-БкН с различным уровнем легирования бором. Анализируется слабое влияние уровня легирования и концентрации оборванных связей на величину фотопроводимости в плёнках а-БкН р-типа при комнатных температурах. Исследовано влияние предварительного освещения на величину фо-
9
топроводимости и характер её температурных зависимостей. Предложена интерпретация экспериментальных результатов. Пятая глава посвящена компьютерному моделированию рекомбинационных процессов в a-Si:H. Рассмотрены полученные численным расчётом зависимости фотопроводимости от концентрации оборванных связей, положения уровня Ферми и параметров, характеризующих распределение плотности состояний в хвостах валентной зоны и зоны проводимости. В конце диссертации приведены основные результаты и выводы.
Работа выполнена на кафедре физики полупроводников физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: Всесоюзный семинар “Аморфные гидрированные полупроводники и их применение”(Ленинград, 1991), Всероссийский симпозиум “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”(Санкт-11етербург, 1998), XVIII Международная конференция по аморфным и микрокристаллическим полупроводникам (Snowbird, USA, 1999), Международная конференция “Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах” (Ульяновск, 1999), Международная конференция “Оптика полупроводников” (Ульяновск, 2000), П Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”(Санкт-Петербург, 2000), Международная конференция E-MRS (Strasbourg, France, 2000), XIX Международная конференция по аморфным и микрокристаллическим полупроводникам (Nice, France, 2001), .
По материалам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ.
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
ю
/. I. Особенности структуры и плотности состояний в щели подвижности
а-&Ш
. 1.1. Структура а-Л'. Я.
Исследования структуры аморфного кремния (а-БО дифракционными методами покатали, что в а-$1 сохраняется тетраэдрическое расположение атомов, характерное для кристаллического кремния (с-81); расстояние между ближайшими соседями отличается от длины связей в кристалле в пределах нескольких процентов, отклонение валентных углов от тетраэдрического угла (109°28') не превышает 10°. Число атомов второй координационной сферы равно 12, что также соответствует кристаллической фазе. На основании данных результатов предполагается, что в а-81 сохраняется ближний порядок в расположении атомов [1]. Однако, отсутствие максимума радиальной функции распределения, соотвст-ствующего третьей координационной сфере, указывает на отсутствие дальнего порядка в сетке атомов а-Бь Характерной особенностью микроструктуры аморфных полупроводников, в том числе и а-Бц является существование так называемых оборванных связей (ОС) кремния. Наиболее распространенной является конфигурация 813°, в которой атом связан с тремя соседями и имеет один неспаренный электрон. Дефект типа ОС может образовывать связь с посторонними атомами, например, с одновалентными атомами водорода, которые в этом случае пассивируют дефекты, уменьшая их конце»гтрацию. Атомы водорода встраиваются в сетку атомов в результате специальной гидрогенизации материала или непосредственно в процессе получения пленок а-Бь например, методом разложения моносилана
II
(81НД в высокочастотном тлеющем разряде [2]. Пленки а-81, содержащие водород, называются гидрогенизиро ванными (а-81:Н).
/. 1.2. Распределение плотности состояний в щели подвижности а-Я1:Н.
Наличие ближнего порядка в а-БкН приводит к тому, что в его спектре плотности состояний (ПС) существует зона с малой ПС, называемая щелью подвижности [3,гл.2]. Отсутствие дальнего порядка и наличие достаточно большой концентрации дефектов в а-ЯкН определяют форму спектра плотности состояний в щели подвижности. В настоящее время нет точной информации, как выглядит распределение ПС в щели подвижности. В большинстве случаев для интерпретации оптических и фотоэлектрических свойств а-8гН используют упрощенную зонную диаграмму, представленную на рис. 1.1. [4,стр.240]. Особенностью распределения ПС а-БпН являются так называемые "хвосты" ПС, расположенные вблизи края валентной зоны (Е„) и края зоны проводимости (Е^. Наличие локализованных энергетических состояний "хвостов" ПС является следствием отклонения длин связей и валентных углов от значений, соответствующих тетраэдрической структуре. Дефектам типа ОС в спектре ПС соответствуют два максимума, расположенные вблизи середины щели подвижности (см.рис.1.1). Эти дефекты по своей природе являются многозарядными центрами, так как трехкоординированный атом кремния может находиться в нейтральном (813°), положительно заряженном (813*) и отрицательно заряженном (81/) состоянии. Поэтому оборванной связи соответствуют два альтернативных уровня энергии: донорный (незаполненный - 81/, заполненный - 81/) и акцепторный (незаполненный - 813°, заполненный -81/). Дефекты типа ОС в зависимости от зарядового состояния называются, соответственно, О‘,О0 и Э' -центрами. П'-центры служат центрами захвата дырок, О'-центры - центрами захвата электронов, а на О0 - центры могут захватываться носители обоих знаков заряда. В настоящее время в
12
£
Рнс.1.1. Характерная форма ПС в щели подвижности а-8і:Н[4].
13
большинстве работ, посвященных а-8кН, предполагается, что И-центры обладают положительной энергией корреляции +11 Согласно данному представлению, левому максимуму (см.рис.1.1) соответствуют донорные состояния О*’, правому - акцепторные О-'4. При этом распространена точка зрения, что в нелегированном а-Бг.Н уровень Ферми Е* закреплен в области перекрытия донорных и акцепторных состояний оборванных связей [5]. В этих условиях донорные состояния, расположенные ниже ЕР, нейтральны. Та часть донорных состояний, которая оказывается выше Ер, положительно заряжена. В силу этих же причин часть акцепторных состояний оказывается ниже Ег, эти состояния О“4 заполнены и отрицательно заряжены. Экспериментальные данные об энергетическом положении состояний О-центров условно можно разделить на две группы [6]. Из результатов работ первой группы [7,8,9] следует, что донорные состояния ОС расположены на 1.2-1.3 эВ ниже дна зоны проводимости, энергия корреляции составляет 0.4 эВ и, соответственно, акцепторные состояния расположены на 0.8-0.9 эВ ниже Ес. Данные второй группы работ [11,61] указывают на более близкое к Ес расположение состояния ОС: пик плотности донорных состояний расположен на 0.9-1.0 эВ, а акцепторных - на
0.5-0.6 эВ ниже Ее. Причиной данного расхождения, по мнению авторов [6], может быть то, что особенности спектра ПС, получаемого различными методами, у различных авторов могут относиться не к одпому и тому же дефектному центру. Согласно [6], другим, по-видимому, более вероятным обстоятельством, ответственным за несовпадение энергетического положения уровней ПС, измеренного в работах первой и второй групп, может быть различие шкал энергии, используемых в оптических и электрических экспериментах. С другой стороны, разные энергии состояний, соответствующих ОС, вписываются в концепцию, предложенную Барь-Ямом [12] и получившую название "резервуара дефектов". В основе модели "резервуара дефектов" лежит идея отсутствия единого для всех образцов а-8г.Н энергетического уровня О-цеитров. Барь-Ям полагает, что формирование распределения плотности состояний О-центров в щели подвижности он-
14
ределяется термодинамикой, приводящей к ПС, соответствующей минимуму свободной энергии системы, включающей все состояния в щели подвижности. Это означает, что в пленках a-Si:H, отличающихся типом проводимости, уровнем легирования, способом и условиями приготовления и т.д., могут быть разные энергетические положения максимумов распределения состояний D-центров. Таким образом, в настоящее время единая точка зрения на энергетическое положение состояний, соответствующих ОС, отсутствует. Рассмотрим несколько факторов, которые влияют на плотность состояний, соответствующих D-центрам. Общеизвестно, что содержание водорода в a-Si:H существенно влияет на концентрацию ОС, уменьшая ее в результате пассивации. Это делает аморфный кремний фоточувствительным материалом. Кроме того, на плотность состояний, соответствующих ОС, влияет температура подложки Т„ во время приготовления образцов a-Si:H. Меньше всего дефектов типа ОС содержится в пленках, полученных при TS=250°C. При высоких температурах равновесная концентрация D-центров увеличивается из-за выхода водорода, а также в результате возрастания скорости образования оборванных связей при разрыве Si-Si - связи (13J. Во многих работах [14] сообщалось об увеличении оборванных связей при легировании. Согласно компенсационной модели легирования [15], концентрация оборванных связей пропорциональна квадратному коршо из концентрации легирующей примеси. Следует также добавить, что объяснение ряда экспериментальных результатов не может быть сделано, если не предположить присутствия в a-Si:H других, отличных от ОС дефектов. К таковым прежде всего относятся заряженные вакансии [16] и комплексы, возникающие между оборванными связями и заряженными атомами примеси [17 ].
1.1.3 Оптическое поглощение.
Наиболее информативные методы, позволяющие определить характер распределения ПС в щели подвижности a-Si:H, связаны с исследовани-
- Київ+380960830922