WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 3 Плотность состояний в щели подвижности аморфного гидрированного кремния, легированного эрбием ¶ © А.В. Бирюков, А.Г. Казанский, Е.И. Теруков, К.Ю. Хабарова Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 июля 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Исследовано влияние легирования эрбием пленок аморфного гидрированного кремния на плотность электронных состояний в щели подвижности. Проведено сравнение с данными для пленок a-Si : H, легированных мышьяком. Информация о плотности состояний в нижней и верхней половинах щели подвижности получалась из измерений, соответственно, спектральных зависимостей коэффициента поглощения и температурных зависимостей постоянной и переменной составляющих фотопроводимости при освещении пленок модулированным светом. Проведенные исследования показали, что легирование пленок a-Si : H эрбием приводит к увеличению плотности состояний как в нижней, так и в верхней половине щели подвижности.

Пленки аморфного гидрированного кремния, легиро- температурах Tf (90, 95 и 105C), помещенного в ванные эрбием a-Si : H(Er), привлекают к себе внимание вакуумную линию, соединенную с реакционной камерой.

исследователей в связи с тем, что в них наблюдается С ростом Tf, согласно данным измерений обратного реинтенсивная фото- и электролюминесценция с максиму- зерфордовского рассеяния, концентрация атомов введенмом излучения на длине волны 1.54 мкм, которая со- ного эрбия возрастала от 2 · 1019 до 3.3 · 1019 см-3. Впоответствует минимуму потерь в оптическом кварцевом лученных пленках наблюдалась фотолюминесценция на волокне. Люминесценция ионов эрбия Er3+ в a-Si : H длине волны 1.54 мкм. Пленки имели проводимость существенно сильнее, а ее температурное гашение зна- n-типа и положение уровня Ферми относительно края чительно слабее по сравнению с люминесценцией Er3+ зоны проводимости (EC - EF) при комнатной темперав кристаллическом кремнии [1,2]. туре 0.34-0.36 эВ. Величина (Ec - EF) определялась из В большинстве работ, посвященных изучению пленок соотношения EC - EF = kT ln(0/d), где d — темновая проводимость пленок и 0 = 150 Ом-1· см-1 — миниa-Si : H(Er), исследована фотолюминесценция данного материала (см., например, [2]). Было показано, что мальная металлическая проводимость [4].

интенсивность люминесценции зависит от концентрации Пленки a-Si : H(As) с положением уровня Ферми атомов кислорода и атомов эрбия, введенных в a-Si : H, EC - EF = 0.34 эВ были получены в результате добавдостигая максимального значения при концентрации ления арсина (AsH3) в реакционную камеру. Объемное эрбия NEr 1020 см-3 [3]. Однако в настоящее время в отношение газов составляло [AsH3]/[SiH4] =10-5. Все литературе практически отсутствуют данные о влиянии измерения проводились в вакууме 10-3 Па после отжига легирования a-Si : H эрбием на плотность локализован- образцов при T = 180Cв течение 30 мин.

ных электронных состояний в данном материале. В то Для получения информации о влиянии легирования же время оптические и фотоэлектрические свойства a-Si : H эрбием на плотность состояний в нижней поa-Si : H(Er) в значительной степени должны определять- ловине щели подвижности измерялись спектральные ся распределением плотности электронных состояний зависимости коэффициента поглощения () с помов щели подвижности. Поэтому нами были проведены щью метода постоянного фототока [5]. Распределение оптические и фотоэлектрические исследования пленок плотности состояний Nt(E) в верхней половине щели a-Si : H(Er), позволившие получить информацию о влия- подвижности определялось из измерений температурнии легирования a-Si : H эрбием на плотность локализо- ных зависимостей фотопроводимости в условиях освеванных электронных состояний в данном материале, и щения пленок модулированным светом с частотой.

проведено сравнение с данными, полученными для пле- Согласно [6], распределение Nt(E) может быть получено нок, легированных „традиционными“ примесями (As).

из измерений постоянной и переменной составляющих В работе исследованы пленки a-Si : H(Er), полученные фототока. В этом случае разложением моносилана (SiH4) в высокочастотном тле G ющем разряде. Пленки толщиной 0.8мкм осаждались n Nt(EF) =, kT на кварцевую подложку, имевшую температуру 250C.

Легирование Er осуществлялось возгонкой металлор где и —соответственно постоянная составляюганического соединения Er(C5H7O2)3 при различных щая и амплитуда переменной составляющей фотопроn ¶ E-mail: Kazanski@phys.msu.ru водимости, EF — положение квазиуровня Ферми для 6 370 А.В. Бирюков, А.Г. Казанский, Е.И. Теруков, К.Ю. Хабарова a-Si : H(Er). На этом же рисунке для сравнения показана спектральная зависимость для пленки a-Si : H(As). Как видно из рисунка, в области поглощения излучения дефектами структуры a-Si : H (h <1.5эВ) значение для пленок, легированных эрбием, почти на порядок превышает значение для пленки, легированной мышьяком. Причем с увеличением величины Tf и, соответственно, концентрации атомов эрбия, введенных в a-Si : H, наблюдается некоторое увеличение поглощения на дефектах.

Известно, что концентрация дефектов типа оборванных связей в пленках a-Si : H зависит от положения уровня Ферми в щели подвижности [7]. В исследованных нами пленках a-Si : H(Er) и a-Si : H(As) положения уровней Ферми близки друг к другу. Поэтому большее поглощение в области, соответствующей состояниям дефектов, для пленок a-Si : H(Er) свидетельствует о том, что введение Er в a-Si : H приводит к возникновению большей концентрации дефектов, нежели в случае леРис. 1. Спектральные зависимости коэффициента поглощегирования пленок a-Si : H мышьяком. Это может быть ния для пленок a-Si : H(Er) (1–3) и пленки a-Si : H(As) (4).

связано с тем, что, согласно имеющимся данным [8], Температура возгонки при легировании эрбием Tf,C: 1 — 90, атомы Er входят в структуру a-Si : H в виде комплексов 2 — 95, 3 — 105.

ErOx. Соответственно введение эрбия в a-Si : H может привести к большему по сравнению с „традиционными“ примесями увеличению плотности состояний дефектов, электронов, G — амплитуда темпа генерации нераврасположенных в середине щели подвижности.

новесных носителей при модулированном возбуждении.

На рис. 2 показаны температурные зависимости поИзменение температуры или интенсивности возбуждестоянной составляющей фотопроводимости и амплитуn ния позволяет изменять положение EF и соответственно ды переменной составляющей фотопроводимости, по получать распределение Nt(E) из измерений и.

лученные для исследованных пленок. Из рисунка видn Представленное выражение для Nt(EF) справедливо в но, что величина амплитуды переменной составляющей области частот модуляции, удовлетворяющих условию n <

Измерения и проводились в условиях освещения пленок модулированным светом от светодиода с энергией квантов 1.85 эВ и амплитудой модулированного потока падающих квантов I = 9.6 · 1013 см-2 с-1. Частота модуляции составляла f = /2 = 2 кГц. Измерение частотных зависимостей для исследованных пленок показало, что данная частота модуляции удовлетворяет Рис. 2. Температурные зависимости постоянной составляпредставленному выше условию определения Nt(E) из ющей фотопроводимости (1–3) и амплитуды перемен измерений и.

ной составляющей фотопроводимости (1 –3 ) для пленок На рис. 1 показаны спектральные зависимости a-Si : H(Er), полученных при Tf,C: 1, 1 — 95, 2, 2 — 105, коэффициента поглощения исследованных пленок и пленки a-Si : H(As) (3, 3 ).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Плотность состояний в щели подвижности аморфного гидрированного кремния... Авторы выражают благодарность д-ру Х. Меллу за предоставление пленок микрокристаллического Si : H, легированных эрбием и мышьяком.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантом РФФИ № 02-02-39020-ГФЕН-а.

Список литературы [1] W. Fuhs, I. Ulber, G. Weiser, M.S. Bresler, O.B. Gusev, A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova, E.I. Terukov, I.N. Yassievich. Phys. Rev. B, 56, 9545 (1997).

[2] H. Khne, G. Weiser, E.I. Terukov, A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova. J. Appl. Phys., 86, 896 (1999).

[3] В.Х. Кудоярова, А.Н. Кузнецов, Е.И. Теруков, О.Б. Гусев, Ю.А. Кудрявцев, Б.Я. Бер, Г.М. Гусинский, W. Fuhs, G. Weiser, H. Kehne. ФТП, 32, 1384 (1998).

[4] J. Stuke. J. Non-Cryst. Sol., 97/98, 1 (1987).

[5] M. Vanecek, J. Kocka, J. Stuchlik, A. Triska. Sol. St. Commun., 39, 1199 (1981).

[6] K.W. Boer, E.A. Niekisch. Phys. Status. Solidi, 1, 275 (1961).

Рис. 3. Распределение плотности состояний Nt вблизи зо[7] K. Pierz, W. Fuhs, H. Mell. J. Non Cryst. Sol., 114, 651 (1989).

ны проводимости для пленок a-Si : H(Er) (1–3) и пленки [8] C. Piamonteze, A.C. Iniguez, L.R. Tessler, M.C. Martin Alves, a-Si : H(As) (4). Нумерация кривых 1–3 соответствует рис. 1.

H. Tolentino. Phys. Rev. Lett., 81, 4652 (1998).

[9] A.V. Birukov, A.V. Fenuchin, A.G. Kazanskii, E.I. Terukov.

Mater. Sci. Engin. B, 105, 153 (2003).

фотопроводимости на 2 порядка меньше постоянной Редактор Т.А. Полянская составляющей. Это связано со значительным временем фотоответа в исследованных пленках a-Si : H.

Density of states in the mobility gap Распределение плотности электронных состояний в of an erbium doped amorphous верхней половине щели подвижности для исследованных пленок a-Si : H, легированных Er и As, полученных hydrogenated silicon из обработки температурных зависимостей и, A.V. Birukov, A.G. Kazanskii, E.I. Terukov, n представлено на рис. 3. Значения EC - EF определялись K.Y. Khabarova из соотношения Lomonosov Moscow State University, n EC - EF = kT ln(0/ ).

119992 Moscow, Russia Ioffe Physicotechnical Institute, Из сравнения данных, полученных для пленок Russian Academy of Sciences, a-Si : H(Er) и a-Si : H(As), видно, что плотность состоя194021 St. Petersburg, Russia ний в верхней половине щели подвижности для пленки a-Si : H, легированной мышьяком, близка к Nt(E) для

Abstract

The effect of erbium doping on the density of electron пленки a-Si : H, легированной эрбием при Tf = 95C. Как states in the mobility gap of an amorphous hydrogenated silicon видно из рисунка, с увеличением Tf и соответственно have been studied. The results were compared to the data obtained с ростом концентрации введенных в a-Si : H атомов Er for arsenic doped a-Si : H film. The information on the density of увеличивается плотность электронных состояний вблизи states in the lower and upper parts of mobility gap was obtained зоны проводимости. Заметим, что полученный результат by measurements of the absorption coefficient spectral dependence позволяет объяснить различную динамику изменения and temperature dependences of constant and modulated parts проводимости при длительном освещении пленок a-Si : H of photoconductivity during the illumination of the sample by a с различным уровнем легирования эрбием [9]. Уменьmodulated light intensity. The experiments performed have shown шение относительного изменения проводимости пленок that the erbium doping leds to the density of states increase both a-Si : H(Er) с ростом концентрации Er при их длительном in lower and upper parts of the amorphous hydrogenated silicon освещении может быть связано с увеличением плотноmobility gap.

сти состояний в области смещения уровня Ферми.

Таким образом, проведенные исследования показали, что легирование пленок a-Si : H эрбием приводит к большему увеличению плотности состояний в щели подвижности материала по сравнению с легированием a-Si : H „традиционными“ донорными примесями.

6 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.