Физика слоев гидрированного кремния А.Г.Казанский Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Содержание Введение Структура и дефекты Распределение плотности электронных состояний Перенос носителей заряда (проводимость) Оптические свойства Заключение

Введение Почему гидрированный кремний (a-Si:H, nc-Si:H) ? Атомы водорода уменьшают концентрацию дефектов в a-Si (пассивируют оборванные связи). H в пленках до 15 ат.%. Чем интересен ? Низкая стоимость (низкие температуры получения

Основная особенность a-Si:H и nc-Si:H: Возможность создания структур большой площади Электроника больших площадей

Изменяя соотношение газов R= [H 2 ]/[SiH 4 ] в смеси SiH 4 + H 2 можно изменять структуру пленок Получение пленок a-Si:H и nc-Si:H ( c-Si:H) методом PECVD

Структура Плотность электронных состояний в щели подвижности Электрические и оптические свойства

Основные физические свойства a-Si:H

Структура a-Si:H В а-Si:Н сохраняется ближний порядок : Число ближайших атомов такое же, как в с-Si (4) Расстояние между ближайшими атомами и угол между связями близки к значениям в с-Si. тетраэдрическая координация Разброс в расстояниях межу атомами в а-Si:Н и углах между связями отсутствует дальний порядок в расположении атомов. c-Si a-Si

Введение водорода пассивация оборванных связей и уменьшение их концентрации (10 15 см -3 ). Дефекты в a-Si Идеальная неупорядоченная сетка тетраэдрически координированных атомов Si - напряженная структура. Напряжение снимается разрыв связей между атомами Si возникают оборванные связи (основные дефекты в а-Si (10 19 см -3 ). a-Sia-Si:H

Распределение плотности электронных состояний в a-Si:Н Е g =( ) эВ (Н Е g ). Наличие ближнего порядка область энергий с малой плотностью состояний (щель подвижности) Отсутствие дальнего порядка хвосты плотности состояний Пассивация водородом выводит состояния дефектов из щели подвижности в валентную зону

Перенос носителей заряда (проводимость) в a-Si:H 1) с = oc exp[-(E c -E F )/kT) 2) t = ot exp[-(E ct -E F +w)/kT) где E ct – энергетическое положение «эффективного» уровня протекания по состояниям хвоста, а w- энергия активации прыжка 3) F = оF exp[-(T 0 /T) 1/4 ] где T 0 –параметр, зависящий от плотности состояний на уровне Ферми - N(E F )

Полная проводимость a-Si:H: = с + t + F Температурная зависимость проводимости a-Si:H

Влияние легирования на проводимость a-Si:H

Фотоиндуцированные метастабильные состояния в a-Si:H Освещение a-Si:H увеличение концентрации дефектов (оборванных связей) уменьшение проводимости и фотопроводимости (эффект Стеблера-Вронского) Отжиг при Т=180 0 С восстановление исходных параметров Причина – разрыв слабых связей: Поглощение света неравновесные носители заряда рекомбинация выделение энергии разрыв связей

Основные физические свойства nc-Si:H ( c-Si:H)

Дефекты (данные ЭПР): g= (db1) оборванные связи (как в a-Si:H) g= (db2) оборванные связи (в областях, обогащен- ных кислородом ?) N db =N db1 + N db2 =N db cm -3 N db < N cr = ( ) cm -3 Дефекты и водород располо- жены, в основном, на грани- цах колонн и в аморфной фазе (C.Bohme (2002)) Структура nc-Si:H ( c-Si:H) (Х С 80%)

Распределение плотности электронных состояний в nc-Si:H Справедливо для большой доли нанокристаллической фазы Cтруктурный беспорядок хвосты плотности состояний. «Широкое» распределение состояний дефектов (0.6 эВ). Не учитывает многофазности материала: а) где состояния дефектов ? б) где энергетические барьеры? (P.Kanschat et al (2000)) Близость свойств a-Si:H и nс-Si:H «Эффективное» распределение

T100 K проводимость по делокализованным состояниям в колоннах. Активационная подвижность определяется потенциальными барьерами между колоннами. Перенос носителей заряда (проводимость) в nc-Si:H А- колонны нанокристаллов В1 – аморфная фаза В2 - поры

Основные физические свойства двухфазных пленок a+nc-Si:H

Cпектры комбинационного рассеяния Доля нанокристаллической фазы (X C ) : Xc (1÷85)% (из анализа интенсивностей линий спектров комбинационного рассеяния). cm -1 аморфная фаза cm -1 нанокристаллическая фаза

Плотность состояний необходимо учитывать пространственное распределение (двухфазность материала)

Зависимость проводимости и фотопроводимости от X C Перколяционный «пробой» при Х с =0.3 (30%)

Оптические свойства a-Si:H и nc-Si:H ( c-Si:H)

Спектральная зависимость коэффициента поглощения в a-Si:H Информация, получаемая из анализа спектральных зависимостей коэффициента поглощения: Область А ширина щели подвижности Область В протяженность хвостов зон Область С концентрация дефектов ( оборванных связей)

Спектральные зависимости коэффициента поглощения В области h >1.7 эВ поглощение в a-Si:H больше, чем в с-Si:H В области 1.0эВ

Материал а-Si:H nс-Si:H ( с-Si:H) Метод получения разложение SiH 4 разложение SiH 4 +H 2 Температура подложки ( ) 0 C( ) 0 C Структура аморфнаяаморф.+кристал. (0% < X C < 90%) d крист. = (3-30) нм L колон. (30-100) нм Ширина щели подвижности ( ) эВ1.1 эВ (большие X C ) Подвижность носителей (электронов) De 0.5 cm 2 /В сек De 2 cm 2 /В сек + (большие X C ) Фоточувствительность (фотопров./проводим.) высокая + низкая Стабильность параметров нестабильный стабильный + Сопоставление параметров a-Si:H и nc-Si:H ( c-Si:H)

Заключение Гидрированный аморфный (a-Si:H) и нанокристаллический (nc-Si:H) кремний основные физические свойства изучены и объяснены. Двухфазный гидрированный (a-Si:H + nc-Si:H ) кремний исследован в меньшей степени. Протокристаллический гидрированный кремний (нанокристаллы кремния в аморфной матрице) малоизучен. По сравнению с a-Si:H: большая стабильность параметров ??? большая фотопроводимость???

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

III. Фотопроводимость с-Si:Н (1) Зависимость фотопроводимости от температуры Величина фотопроводимости: Т< 40 К не зависит от температуры Т> 100 K возрастает почти экспоненциально Вывод: при Т= 40 К изменяются механизмы рекомбинации, переноса носителей (J.-H.Zhou et al. (1998))

Показатель люкс-амперной зависимости ( ph G ) T< 40K 1 T=(40-150)K уменьшается T > 100К < 0.5 !? Вывод: при Т= 40 К изменяются процессы рекомбинации (J.-H.Zhou et al. (1998))

(2) Зависимость фотопроводимости от уровня легирования Рост уровня легирования увеличение фотопроводимости (как в a-Si:H) Подвижность слабо зависит от уровня легирования Вывод: при смещении Е F к краям зон время жизни носителей возрастает (R.Bruggemann et al. (1998))

(3) Зависимость фотопроводимости от концентрации дефектов (Т=300 К) Дефекты создавались электрон- ным облучением. ph 1/ (0.8 эВ) (0.8 эВ) N db Вывод: Дефекты (оборванные связи) – основные центры рекомбинации. (А.Г.Казанский и др. (2003))

Фотопроводимость ph =e G 1) Генерация неравновесных носителей 1/2 cpm (h ) E 0 =1.12эВ Вывод: генерация неравновесных носителей происходит в кристал- лической фазе (А.Г.Казанский и др. (2000))

2) Механизмы транспорта неравновесных носителей T100 K проводимость по делокализованным состояниям в колоннах. Активационная подвижность определяется потенциальными барьерами между колоннами.

3) Механизмы рекомбинации неравновесных носителей (а) Зависимость от температуры Как в a-Si:H.: Прыжковый перенос с потерей энергии по состояниям хвоста (В.I.Shklovskii et al (1989)). Туннельная рекомбинация из состояний хвоста на состояния оборванных связей Перенос и рекомбинация носи- телей не зависят от температуры. 1 T < 40 K

Проводимость по зоне Рекомбинация из зоны на состояния дефектов > 0.5 T > 100 K a-Si:H c-Si:H Учет барьеров в области рекомбинации < 0.5 (может быть) (К.В.Коугия и др. (2001)) Т (слабо) (активационно барьеры) ph (T) определяется (Т)

б) Зависимость времени жизни носителей заряда от уровня легирования (положения уровня Ферми). Эксперимент ( R.Bruggemann et al.(1998), А.Г.Казанский и др.(2002)) : Время жизни основных носителей заряда возрастает при смещении E F к краям зон (с уровнем легирования). Возможные причины: 1)Уменьшение числа центров рекомбинации (как в a-Si:H) (R.Bruggemann et al.(1998)) Но: N db слабо зависит от положения E F в с-Si:H. 2)Уменьшение высоты и ширины барьеров в области db (А.Г.Казанский и др.(2002)) Кто прав ?

Модель процессов рекомбинации в с-Si:H