WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Взаимосвязь спиновых структурных дефектов и проводимости в пленках гидрированного нанокристаллического кремния с добавками углерода ¶ © О.И. Шевалеевский, А.А. Цветков, Л.Л. Ларина, S.Y. Myong, K.S. Lim Институт биохимической физики Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, South Korea (Получена 30 октября 2003 г. Принята к печати 4 ноября 2003 г.) Исследовано поведение парамагнитных дефектов и темновой проводимости в гетерогенных образцах гидрированного нанокристаллического кремния с добавками углерода (nc-SiC : H), полученных методом фотостимулированной газовой эпитаксии (photo-CVD). Показано, что при увеличении содержания углерода в nc-SiC : H происходит фазовый переход структуры от нанокристаллической к аморфной, что приводит к уменьшению концентрации спиновых дефектов и значительному понижению величины темновой проводимости.

Тонкие пленки нанокристаллического гидрированного Пленки nc-SiC : H толщиной 150 нм осаждались на кремния с добавками углерода, nc-SiC : H, являются пер- стеклянные подложки путем диссоциации моносилана спективными для использования в солнечных элементах SiH4, водорода H2 и этилена C2H4 под действием в качестве широкозонного оптического окна [1] и буфер- мощного ультрафиолетового облучения. Метод photoного слоя [2]. По сравнению с микрокристаллическим CVD подробно описан нами в работах [8,9]. Плотность кремнием (µc-Si : H) [3] образцы nc-SiC : H с малыми до- спиновых дефектов (NS) определялась на основе анабавками углерода обладают более широкой зоной опти- лиза спектров электронного парамагнитного резонанческого пропускания. Структура nc-SiC : H, содержание са (ЭПР). Вычисление абсолютных значений величин NS углерода, соотношение аморфной и кристаллической и g-фактора проводилось сравнением сигналов от обфаз, а также размеры кристаллитов задаются условиями разца и эталонов с известными параметрами. Темновая роста пленок, что позволяет целенаправленно управлять электропроводность (D) была измерена в области темтакими параметрами, как область оптического пропуска- ператур 300-420 K.

ния и электропроводность [4].

Наличие углеродсодержащей аморфной фазы в пленках nc-SiC : H было подтверждено нами ранее с испольВ аморфном кремнии (a-Si : H) приборного качества высокая электропроводность ( 10-3 Ом-1см-1) ассо- зованием метода инфракрасной фурье-спектроскопии [9], циируется обычно с низкой плотностью парамагнит- а концентрация углерода была оценена методом ных дефектов NS 1016 см-3, обусловленных неском- оже-спектроскопии [10]. В данной работе удельное содержание углерода (x) оценивалось по методу, предлопенсированными спинами оборванных связей атомов женному в [11], который основан на анализе соотношекремния (DB) [5]. В a-Si : H и a-SiC : H с ростом NS до 1018 см-3 электропроводность падает на 3-4 по- ния потоков участвующих в реакции газов.

рядка [6], однако в гетерогенных образцах, содержащих Структура образцов исследовалась методом рамановаморфную и нанокристаллическую фракции, взаимоской спектроскопии, а анализ спектров проводился разсвязь между концентрацией DB и проводимостью имеет ложением экспериментальной кривой на гауссовы комдругой характер. Так в пленках µc-Si : H, полученных поненты, соответствующие структурным фазам: кристалплазмохимическим осаждением (PECVD), увеличение лического кремния, c-Si ( 520 см-1), a-SiC : H с малым электропроводности происходит параллельно с ростом содержанием углерода ( 480 см-1) и промежуточной концентрации DB дефектов [7]. По сравнению с µc-Si : H фазе в области границ микрокристаллов ( 506 см-1).

образцы nc-SiC : H представляют более сложный объект, Измерения в интервале 750-950 см-1 не показали нагде влияние малых добавок углерода изучено недоличия сигнала от структуры кристаллического карбида статочно. Отсутствуют также и данные о поведении кремния c-SiC, и можно предположить, что весь углерод спин-содержащих дефектов. В данной работе провелокализован в области аморфной фазы. Размер кристалдены структурные исследования образцов nc-SiC : H, литов, оцененный из данных рентгеновской дифракции приготовленных методом фотостимулированной газовой по формуле Шеррера, составил 12 нм. На рис. эпитаксии (photo-CVD), и изучено влияние спиновых представлен пример разложения спектра рамановского дефектов на процессы электронного транспорта.

рассеяния образца nc-SiC : H с содержанием углерода x = 11 ат%. Удельное содержание нанокристаллической ¶ фракции (XC) вычислялось из соотношения интенсивE-mail: O_Chevale@Yahoo.com Fax: (095)2420253 ностей гауссовых пиков, полученных при разложении 3 548 О.И. Шевалеевский, А.А. Цветков, Л.Л. Ларина, S.Y. Myong, K.S. Lim экспериментальной кривой рамановского рассеяния:

I520 + IXC =. (1) I520 + I506 + IВставка на рис. 1 демонстрирует изменение величины XC в зависимости от содержания углерода (x). При [C2H4]/[SiH4] =0.07 были получены образцы с низким содержанием углерода (x = 6ат%) и максимальной кристалличностью (XC 86%). С увеличением содержания углерода наблюдался структурный фазовый переход и формирование в образце преимущественно аморфной фазы.

На рис. 2 приведена последовательность спектров ЭПР, полученных для образцов nc-SiC : H по мере увеРис. 3. Зависимости изменения плотности парамагнитных личения содержания углерода от 6 до 11 ат%. Во всех дефектов NS (1) и величины темновой проводимости D (2) образцах наблюдались асимметричные линии ЭПР с раз- в образцах nc-SiC : H от содержания в них кристаллической фракции XC.

мером полуширины ( Hpp) около 20-30 Гс и величиной g-фактора 2.0065 (±0.0005). Вычисленные на основании ЭПР данных величины NS представлены на рис. в зависимости от содержания XC. В образце с высокой кристалличностью (XC = 86%) плотность DB составила NS 2 · 1019 см-3, а при доминировании аморфной фазы (XC 48%) NS оказалось на порядок меньше.

В процессе получения пленок методом photo-CVD увеличение содержания углерода препятствовало формированию кристаллической фазы, что заметно уменьшало концентрацию DB-дефектов. Подобное поведение NS указывает на то, что наблюдаемые дефекты связаны с нанокристаллами и локализованы, судя по всему, на их поверхности. Мы провели расчет поверхностной плотности дефектов на кристаллитах (NSQ) Рис. 1. Экспериментальный спектр рамановского рассеяния и получили значение NSQ 2 · 1013 см-2. По порядку образца nc-SiC : H для XC = 48 % (1), разложенный по гаусвеличины это согласуется с плотностью поверхностных совым компонентам с максимумами в области 480 (2), дефектов, измеренной для гомогенных образцов a-Si : H 506 (3) и 520 см-1 (4). На вставке — зависимость XC и a-SiC : H в работе [12], где изменение величины NSQ от удельного содержания углерода (x).

происходило в пределах 1012-1013 см-2.

Обнаруженная взаимосвязь между NS и содержанием кристаллической компоненты коррелирует с аналогичным поведением электропроводности. На рис. в дополнение к характеристике величины NS представлена кривая зависимости D (при T = 300 K) от кристалличности образца. Максимальная проводимость, D = 3.4 · 10-6 Ом-1см-1, отмечена на пленке с наибольшей кристалличностью, тогда как с увеличением доли аморфной фазы проводимость падает до D = 3.2 · 10-8 Ом-1см-1. Измерения температурной зависимости D и анализ аррениусовских кривых показали, что механизм проводимости образцов в области температур 300-420 K носит активационный характер.

При этом в пленке с высокой XC отмечено низкое значение энергии активации (Ea = 0.37 эВ), величина которой монотонно возрастает по мере увеличения доли аморфной фазы до Ea = 0.55 эВ. Можно предположить, Рис. 2. Вид спектров ЭПР поглощения в образцах nc-SiC : H что в nc-SiC : H процессы проводимости определяются с различным содержанием кристаллической фазы XC, %:

1 —86, 2 — 64, 3 — 60, 4 — 48. доминирующим вкладом в перенос носителей состояний Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Взаимосвязь спиновых структурных дефектов и проводимости в пленках гидрированного... на поверхности нанокристаллической фазы и на грани- Spin-containing defects and conductivity цах раздела микрокристаллов, как это было показано для in hydrogenated nanocrystalline silicon близких по составу гетерогенных пленок µc-SiC : H [13].

carbon doped films В заключение остановимся на особенностях поведеO.I. Shevaleevskii, A.A. Tsvetkov, L.L. Larina, ния DB-дефектов в nc-SiC : H. Зависимость плотности S.Y. Myong, K.S. Lim спиновых состояний от содержания кристаллической компоненты имеет, на наш взгляд, сложную природу, Institute of Biochemical Physics, и наблюдаемый эффект является суперпозицией двух Russian Academy of Sciences, конкурирующих процессов. Рост содержания углерода 119991 Moscow, Russia в образце провоцирует уменьшение в нем доли кристал- Korea Advanced Institute лической фазы. При этом происходит формирование доof Sciences and Technology, полнительных углеродных DB-дефектов [14] и наблюдаDaejeon 305-701, South Korea емая величина NS должна содержать вклады от двух различных составляющих. Косвенным подтверждением на

Abstract

Spin defects and the dark conductivity behavior have личия сигналов от разных DB является асимметричная been studied in hydrogenated nanocrystalline silicon carbon doped широкая линия ЭПР. Однако понижение концентрации films (nc-SiC : H) prepared by using the photo-chemical vapor кремниевых DB-дефектов, вызванное уменьшением XC, deposition (photo-CVD) technique. It has been found that the происходит быстрее, чем одновременный рост числа increase in carbon content in nc-SiC : H gives rise to the phase углеродных дефектов. В результате с уменьшением XC transition from the crystalline structure to the amorphous one. As значение NS изменяется на один порядок величины.

the crystalline fraction decreased, the concentration of spin defects Интересно, что в µc-Si : H, где дефекты обусловлены and the dark conductivity decreased too.

только кремниевыми DB, подобный структурный переход приводит к изменению NS более чем на 2 порядка [7].

Таким образом, в настоящей работе методом ЭПР впервые исследованы спиновые дефекты в тонких пленках nc-SiC : H с малыми добавками углерода, выращенных методом photo-CVD, и обнаружена взаимосвязь между степенью кристалличности образцов, концентрацией DB-дефектов и величиной электропроводности.

Список литературы [1] B. Goldstein, C.R. Dickson, Appl. Phys. Leet., 53, 2672 (1988).

[2] S.Y. Myong, S.S. Kim, O. Shevaleevskii, K.H. Jun, M. Konogai, K.S. Lim. Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (New Orleans, USA, 2002) p. 1226.

[3] А.Г. Казанский, П.А. Форш, К.Ю. Хабаров, М.В. Чукиев.

ФТП, 37, 1100 (2003).

[4] S. Ghosh, A. Dasgupta, S. Ray. J. Appl. Phys., 78, 3200 (1995).

[5] J.K. Rath. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 76, 431 (2003).

[6] R. Schropp. Thin Sol. Films, 403–404, 17 (2002).

[7] A.L. Baia Neto, A. Lambertz, R. Carius, F. Finger. Phys. St.

Sol., 186, R4 (2001).

[8] J.W. Lee, K.S. Lim. J. Appl. Phys., 81, 2432 (1997).

[9] S.Y. Myong, H.K. Lee, E. Yoon, K.S. Lim. J. Non-Cryst. Sol., 298, 131 (2002).

[10] S.Y. Myong, H.K. Lee, E. Yoon, K.S. Lim. Mater. Res. Soc.

Symp. Proc., 557, 603 (1999).

[11] D. Kuhmann, S. Grammatica, F. Jansen. Thin Sol. Films, 177, 253 (1989).

[12] U.K. Das, T. Yasuda, S. Yamasaki. Phys. Rev. B, 63, 245 204 (2001).

[13] А.Г. Казанский, Х. Мелл, Е.И. Теруков, П.А. Форш. ФТП, 34, 373 (2000).

[14] F. Giorgis, C.F. Pirri, E. Tresso, V. Rigato, S. Zandolin, P. Rava.

Physica B, 229, 233 (1997).

Редактор Л.В. Беляков Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, 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.