WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 4 Эффект Стаблера–Вронского в зависимости от положения уровня Ферми и структуры нелегированного аморфного гидрированного кремния © О.А. Голикова, М.М. Казанин, В.Х. Кудоярова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 июля 1997 г. Принята к печати 31 июля 1997 г.) Проведены исследования скорости деградации фотопроводимости (ph t-) пленок нелегированного аморфного гидрированного кремния, осажденных при Ts = 300-400C и подвергнутых засветке в течение 5 ч при 300 K (источник света 100 мВт/см2, < 0.9мкм). Показано, что скорость деградации зависит от положения уровня Ферми (c-F) до засветки и часто напрямую не связана с содержанием водорода в пленке.

Установлены корреляции между величиной и связями в кремний–водородной подсистеме (изолированные комплексы SiH и SiH2, кластеры (SiH)n, цепочки (SiH2)n).

1. Введение структуры a-Si : H, несмотря на многочисленные работы, проведенные с целью установления роли каждого из них В настоящее время эффект Стаблера–Вронского для эффекта СВ.

(СВ) [1] продолжает привлекать внимание большого чи- На наш взгляд, сложившаяся ситуация обусловлена сла исследователей. Этот эффект, как известно, состоит тем, что параметры структуры выращенной нелегированв возрастании плотности дефектов ND в пленках аморф- ной пленки a-SiH (до ее засветки) являются функциями ного гидрированного кремния a-Si : H под действием положения уровня Ферми c - F и, таким образом, продолжительной засветки при одновременном падении взаимосвязаны [8]. Исходя из этого в настоящей работе фотопроводимости ph и темновой проводимости d;

в качестве объектов исследований эффекта СВ были последнее означает сдвиг уровня Ферми F в сторону выбраны группы пленок нелегированного a-Si : H, осасередины щели подвижности Eg. Другими словами, жденных при Ts = 300 400C, для которых a-Si : H становится собственным (c - F = 0.70 эВ), (I) Ts = const, c - F = var, CH = var;

но с повышенной плотностью дефектов: оборванных Si–Si-связей, находящихся, как это было показано при (II) Ts = const, c - F = const, но CH = var;

исследованиях ЭПР, в нейтральном состоянии D0. Таким (III) Ts = var, c - F = const, CH = var.

образом происходит деградация материала. Очевидно, что стабильность является одной из ключевых проблем Пленки этих трех групп характеризовались микродля применения a-Si : H в приборах.

структурным параметром R 0.3, т. е. в них преобладали Поскольку эффект СВ наблюдается именно для гимоногидридные комплексы SiH. Кроме того, исследовадрированного аморфного Si, представляет интерес вылась еще одна группа пленок (IV), для них при тех яснение влияние водорода (как его количества CH в же значениях Ts возможны вариации микроструктурного пленке a-Si : H, так и типа Si–H-связей) на плотность параметра R = 0 0.65 и изменения типа дигидридных индуцированных светом дефектов. Однако в литературе комплексов SiH2 или (SiH2)n. Цель работы — опредеимеются противоречивые данные, касающиеся как CH, лить влияние положения уровня Ферми, величин CH, R так и моногидридных (SiH) или дигидридных (SiH2) и некоторых других характеристик структуры на эффект связей: иногда заключения о роли этих факторов для эфСВ для нелегированного a-Si : H.

фекта СВ прямо противоположны (см., например, [2–5]).

Тем не менее наиболее популярной моделью образования индуцированных светом дефектов остается модель, 2. Эксперимент предложенная в [6]: за счет энергии, выделяемой при рекомбинации неравновесных носителей заряда, проис- В настоящей работе исследовались пленки, осажденходит конверсия слабых Si–Si-связей в оборванные связи ные при высоких температурах Ts = 300400C. Именно при непременном участии диффузии водорода, суще- они в последнее время вызывают особый интерес с точки ствующей в a-Si : H при всех конечных температурах и зрения повышения стабильности a-Si : H [9]. Методами возрастающей с ростом CH при T = const. Недавно было осаждения были: метод тлеющего разряда (PECVD) в показано [7], что под действием света она дополнительно триодном реакторе [8,9] и метод разложения силана в интенсифицируется. Однако, как уже говорилось, влия- магнетронной камере (dc-MASD) [10]. В работах [8–10] ние водорода на стабильность параметров пленок a-Si : H подробно описаны как технологические параметры осапод воздействием света остается до сих пор не выяснен- ждения пленок, так и результаты их характеризации.

ным. То же самое можно сказать и о других параметрах Кроме того, исследовались пленки, переданные нам из Эффект Стаблера–Вронского в зависимости от положения уровня Ферми... Политехнической школы (Палезо, Франция). Одна из источника света (W = 100 мВт/см2, < 0.9мкм) них осаждалась в диодном реакторе при Ts = 300C в течение 5 ч. При этой, сравнительно небольшой, с использованием 100%, SiH4, вторая — с использова- длительности засветки фотопроводимость аппроксиминием сильно разбавленного гелием SiH4 (98% He) при руется степенной функцией: ph t-, где t — время Ts = 350C [11]. Следует отметить, что при анализе сво- экспозиции, — параметр, характеризующий скорость деградации [16]. Кроме того, стабильность некоторых их экспериментальных данных мы широко использовали из пленок (accelerated stability test) исследовалась в данные, касающиеся осаждения пленок a-Si : H из смесей Phillips University (Марбург, ФРГ). В отличие от SiH4–He (при разбавлении силана гелием — He-diluted обычных экспериментов, пленка a-Si : H освещалась при technique), ранее полученные в Политехнической школе T = 300 K как со стороны своей поверхности, так и со ([4] и др. работы, а также частные сообщения).



стороны подложки двумя ксеноновыми импульсными До засветки пленок определялись их темновая пролампами (время импульса 2 мкс частота 300 Гц, водимость и фотопроводимость, плотность дефектов и спектральный диапазон 400 670 нм, мощность в пике параметр Урбаха, содержание водорода, микроструктур120 мВт/см2, средняя мощность 70 мВт/см2). В таких ный параметр. В ряде случаев определялись рамановская условиях плотность индуцированных дефектов достигала частота TO фононов TO и полуширина соответствуювеличины насыщения Nsat после 15 ч засветки, в то время щего пика TO. Все исследования проводились при как в условиях обычных экспериментов (источник комнатной температуре, и их методы описаны в рабоW = 100 мВт/см2, T = 300 K, освещение поверхности тах [8–10]. Тем не менее здесь мы кратко остановимся на пленки) для этого, как известно, необходимы сотни некоторой дополнительной информации, которую можно часов.

получить при анализе спектров в области инфракрасного (ИК) излучения и рамановских спектров.

Как известно, для определения различных типов свяРезультаты обсуждения зей Si с водородом анализируются ИК спектры при 1900 2100 см-1, а также в окрестности 875 см-1.

Рассмотрим сначала, как соотносятся данные о скоАнализ поглощения при 1900 2100 см-1 позволяет рости деградации фотопроводимости, характеризуемой найти вклады изолированных комплексов SiH и SiH2.

параметром, с данными о величине Nsat, полученными Существование последних подтверждается наблюдаемой с помощью accelerated stability test. На рис. 1 предполосой поглощения при 875 см-1. Тогда микрострук- ставлены относительные изменения фотопроводимости турный параметр составляет R = I2090/(I2000 + I2090) ph/ph(0) в зависимости от времени засветки для ряда (Ii — интенсивности соответствующих полос), и если он пленок, осажденных методом PECVD при Ts = 300C.

сравнительно не велик, максимум поглощения находится Характеристики пленок приведены в табл. 1. Для двух при 2000 см-1. Однако, как было показано в работе [8], из них, с резко различными (0.66 и 0.05), исследованы величины R могут быть и не велики, но максимум погло- коэффициенты поглощения методом постоянного фотощения сдвигается в сторону 2100 см-1, что показывает тока (CPM) в состояниях A (до засветки) и B (после наличие кластерированных моногидридных комплексов засветки в течение 15 ч) (см. рис. 2). Величины Nsat были (SiH)n. Считается, что такие комплексы располагаются равными, соответственно, 2 · 1017 см-3 и 5 · 1016 см-3.

в виде островков [12] или на поверхности пустот [13] Таким образом, наблюдается корреляция величин и (voids), создающих рыхлую, так называемую ”зерни- Nsat. Поэтому в дальнейшем, говоря о стабильности материала, мы будем рассматривать величины.

стую” структуру. Поэтому в данном случае говорят о расположении кластерированного водорода по границам зерен, но при этом необходимо убедиться, является ли Таблица 1. Параметры пленок, данные для которых предстатакая структура действительно аморфной: известно, что влены на рис. полоса ИК поглощения при 2019 см-1 приписывается комплексам SiH, находящимся на границах зерен микро- Типы № c - F, CH, R комплексов кристаллов [14]. Поэтому проводился анализ рамановпленки эВ ат% Si–H ской TO-полосы в окрестностях 520 см-1, так как полоса при этой частоте характерна для микрокристаллической 1 0.45 12 0.30 0.60 SiH, SiHфазы [14].

2a 0.67 16 0.27 0.66 SiH, (SiH)n Отметим здесь также, что для идентификации 2 0.65 8 - 0.46 3 0.69 9 0 0.2 SiH дигидридных комплексов типа (SiH2)n, т. е цепочечной 4 0.77 - - 0.05 структуры, необходимо наблюдать дублет в ИК спектре 5 0.72 9 0 0.04 SiH поглощения при 840, 890 см-1. По мнению авторов [15], 6 0.76 12 - 0.03 такие комплексы обычно располагаются на поверхностях 7 0.82 14 - -0.02 сравнительно маленьких, изолированных друг от друга 8 0.85 16 0.30 -0.03 SiH, SiHполостей — микропор (cavities).

Исследованные перечисленными выше методами Примечание. Пленка № 4 получена из Политехнической школы (Palaiseau, France).

пленки a-Si : H подвергались при T = 300 K воздействию Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 486 О.А. Голикова, М.М. Казанин, В.Х. Кудоярова трению параметров структуры данных пленок a-Si : H до их засветки [8], то точка c - F = 0.70 эВ является для них ”особой”. В окрестностях ее плотность дефектов, параметр Урбаха Eu, содержание водорода CH и величина TO минимальны, микроструктурный параметр R = 0, а величина TO максимальна. Именно такой материал можно считать полностью гомогенным.

По мнению авторов [8], здесь находится граница между областями I (0.45 эВ < c - F < 0.70 эВ) и II (0.70 эВ < c - F < 0.85 эВ), где дефекты находятся в различных заряженных состояниях. По мере изменения положения уровня Ферми нелегированного a-Si : H состояние дефектов изменяется от преимущественно отрицательного D- (область I) к нейтральному D0 (собственный a-Si : H) и далее к преимущественно положительному D+ (область II).

В рамках этой концепции в работе [18] анализироваРис. 1. Зависимости относительного изменения фотопрово- лись скорости как возрастания плотности дефектов ND, димости ph пленок a-Si : H, осажденных при Ts = 300C, от так и падения фотопроводимости ph указанных пленок времени засветки t. Цифры на рисунке соответствуют номерам при их засветке в зависимости от c - F, т. е. сравнивапленок в табл. 1.

лись величины и, входящие в выражение ph tи ND t. В отличие от [19], в работе [18] было показано, что скорость возрастания плотности дефектов значительно ниже скорости падения фотопроводимости только для пленок, принадлежащих к области I, а для пленок собственного a-Si : H и пленок, принадлежащих к области II, обе скорости по величинам сравнимы. Это может быть понято, если учесть, что индуцированные светом дефекты находятся в состоянии D0. Тогда даже сравнительно небольшое их число (величина для всех пленок не превышает 0.1) должно сильно изменять сечение захвата электронов, если до засветки большинство дефектов находилось в состоянии D- (область I). Величина поэтому возрастает, причем тем сильнее, чем больше материал отличается от собственного. Очевидно, что для пленок, принадлежащих к области II, этого происходить не должно: для них [18].

Следует, однако, отметить характерную особенность, присущую пленкам из области II с максимальными величинами c - F: для них наблюдается возрастание ph на данном отрезке времени засветки (5ч) (см. рис. и табл. 1, пленки № 7 и № 8). То же самое было отмечено для пленок a-Si : H с большими энергиями активации d, осажденых методом PECVD с использованием разбавленных смесей SiH4–He [4].

Рис. 2. Спектры поглощения (метод постоянного тока) для В целом пленки, принадлежащие к области II, являпленок № 2a (1) и №4 (2) (см. рис. 1 и табл. 1) в состояниях ются более стабильными, несмотря на то что там, как A (до засветки) и B (после засветки). Параметры пленок:

и в области I, величина CH возрастает по мере сдвига A B №2a —ND =4 · 1016 см-3, ND = 2 · 1017 см-3, Eu = 54 мэВ;

A B уровня Ферми от точки c - F = 0.70 эВ [8]. Отсюда №4 —ND =7 · 1015 см-3, ND = 5 · 1016 см-3, Eu = 49 мэВ.

можно сделать вывод, что в данном случае эффект СВ напрямую не связан с величиной CH.

Тем не менее роль водорода для отчетливо проИз рис. 1 и табл. 1 следует, что для пленок, оса- является, если сравнивать данные для пленок a-Si : H жденных при Ts = const, величины сильно падают из области I с c - F = const (рис. 1, пленки № с увеличением зазора c - F (кривые 1–6). Кри- и № 2a). Вторая из них содержит в 2 раза больше вая 3 взята из работы [17]; она получена для a-Si : H, водорода и, соответственно, величина для нее знаблизкого к собственному. Если обратиться к рассмо- чительно выше. То же самое показано и на рис. 3, где Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Эффект Стаблера–Вронского в зависимости от положения уровня Ферми... Рис. 3. Зависимости относительного изменения фотопроводи- Рис. 4. Спектры поглощения () в инфракрасной области мости ph пленок собственного a-Si : H от времени засветки t.

излучения для пленки собственного a-Si : H № 5 (1) и пленЦифры на рисунке соответствуют номерам пленок в табл. 2.

ки № 2a (2) (см. табл. 1).

Pages:     || 2 |





© 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.