WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Связь рекомбинации на интерфейсных состояниях и аномально малого показателя степени люксамперной характеристики в микрокристаллическом кремнии © К.В. Коугия, Е.И. Теруков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 ноября 2000 г. Принята к печати 15 ноября 2000 г.) Проведен анализ рекомбинации неравновесных носителей в слабо легированном бором микрокристаллическом кремнии p-типа проводимости, полученном высокочастотным разложением силана, сильно разбавленного водородом, при большой высокочастотной мощности. Для структуры такого материала характерно наличие колонноподобных образований, состоящих из микрокристаллитов. Установлено, что в ограниченном интервале температур доминирующим механизмом рекомбинации может выступать рекомбинация на межколонных границах в сочетании с туннелированием и частичной термической активацией.

Такая рекомбинация приводит к необычно малому показателю люксамперной характеристики = 0.3.

Предлагаемая модель позволяет рассчитать температурные зависимости при разных уровнях легирования материала и предсказывает падение эффективности легирования и рост дефектности материала при увеличении концентрации введенного бора. При повышенных температурах происходит смена механизма рекомбинации и начинает преобладать рекомбинация на границах, подчиняющаяся статистике Шокли–Рида, а при пониженных температурах преобладает туннельная рекомбинация внутри колонн. Оба механизма приводят к росту до обычных значений ( 0.7).

1. Введение материал обладает крайне неоднородной структурой, в которой микрокристаллиты объединены в колоннопоВ группе кремниевых материалов — аморфный, на- добные образования, связанные между собой аморфной нокристаллический, микрокристаллический и поликрис- ”соединительной тканью” [1]. При такой структуре таллический — аморфный и поликристаллический ма- основным материалом могут выступать микрокристаллиты, объединенные в колонноподобные образования, а интериалы являются безусловными лидерами по числу корпорированным — аморфные соединительные связки.

публикаций, посвященных рекомбинации неравновесных Одним из интригующих свойств микрокристалличеносителей. Считается общепринятым, что рекомбинация ского кремния является наблюдаемая в ограниченном в аморфном кремнии определяется локализованными температурном интервале необычно слабая ”субкорнесостояниями в щели подвижности, играющими роль вая” люксамперная характеристика (ЛАХ) с показатецентров захвата и рекомбинации неравновесных носилем степени, уменьшающимся до 0.15 [2–4]. Столь телей, в то время как в поликристаллическом кремнии малый показатель степени ЛАХ наблюдался ранее в определяющую роль играет рекомбинация на границах сильно легированном и компенсированном германии при раздела кристаллов. По сравнению с вышеупомянутыми достаточно низких температурах, где он связывался с материалами число публикаций, посвященных нано- и пространственным разделением рекомбинирующих немикрокристаллическому материалу значительно меньше, равновесных носителей за счет флуктуаций краев зоны что, по-видимому, связано со сложностью объекта и, как проводимости и валентной зоны [5]. В настоящей работе следствие, со сложностью интерпретации полученных мы показываем, что субкорневая ЛАХ в микрокристалданных.

лическом кремнии может быть связана с рекомбинацией Действительно, реалистичная модель рекомбинации неравновесных электронов и дырок на заряженных грав неупорядоченном и неоднородном полупроводнике ницах колонноподобных образований, осуществляющих должна учитывать, как минимум, три различных рекомпространственное разделение носителей.

бинационных процесса: внутри ”основного” и ”инкорпорированного” материалов, а также на границе их раздела.

Все три процесса рекомбинации являются конкурент2. Результаты и их обсуждение ными и каждый может играть определяющую роль при заданных условиях эксперимента. Идентификация основ- Микрокристаллический кремний, свойства которого ного и инкорпорированного материалов может быть обсуждаются в настоящей работе, был получен высоковесьма разнообразна. Так, в случае нанокристалличе- частотным (ВЧ) разложением силансодержащих смесей ского кремния роль основного материала будет играть в условиях высокой ВЧ мощности и сильного разбааморфная матрица, а инкорпорированного — кристал- вления SiH4 водородом [4]. Для такого материала лические включения. Для микрокристаллического крем- характерна проводимость n-типа за счет неконтролируния ситуация несколько сложнее. Известно, что этот емого подлегирования остаточным кислородом в про1 644 К.В. Коугия, Е.И. Теруков ном материале за счет выравнивания флуктуаций потенциала вследствие накопления неравновесных носителей и изменения уровня протекания тока описан в [9].

В нашем материале, казалось бы, могла реализоваться подобная ситуация за счет модуляции при освещении захваченного на интерфейсных состояниях заряда. Однако наши расчеты показывают, что такая возможность, если и реализуется, то в слишком узком интервале параметров материала, и что при повышенных и пониженных температурах показатель степени ЛАХ не может быть меньше 0.5. Это находится в противоречии с экспериментом. Поэтому мы считаем, что в нашем материале доминирует какой-то другой вид рекомбинации.

Туннельная рекомбинация в объеме неупорядоченного полупроводника может играть доминирующую роль при достаточно низких температурах. Эта рекомбинация также хорошо изучена в широком интервале температур, и известно, что она приводит к показателю ЛАХ от 0.6 до 1, т. е. существенно большему, чем тот, что наблюдается в эксперименте [10,11]. Обратимся далее к туннельной рекомбинации на межколонных границах.

Схема такого рекомбинационного процесса представлена на рис. 2. По-видимому, рекомбинация происходит Рис. 1. a — схематическое изображение структуры микрокрив два этапа. На первом этапе осуществляется захват сталлического кремния. b — зонная диаграмма микрокристалэлектронов на интерфейсные состояния. Это быстрый лического кремния, слабо легированного p-типа проводимости.

процесс, так как в равновесии границы колонн заряжены c — возможные пути рекомбинации неравновесных носителей:

положительно и притягивают неравновесные электроны.

рекомбинация по Шокли-Риду на межколонных границах (1), туннельная рекомбинация внутри колонн (2), туннельная ре- Итоговая скорость скорее всего определяется вторым, комбинация на межколонных границах (3).

сравнительно медленным, процессом проникновения неравновесных дырок к состояниям на границе. Это проникновение может происходить как за счет термического преодоления барьера, так и за счет туннельного цессе осаждения пленки [6] и неоднородная структура или комбинированного процессов (соответственно 1, 2, (схематически представленная на рис. 1, a), в которой на рис. 2).

микрокристаллиты размером 10-30 нм объединяются в Оценим вероятность комбинированного процесса. Для значительно более крупные (100-300 нм) колонноподобэтого оценим скорость рекомбинации в зависимости от ные образования с ярко выраженными границами раздеэнергии E, при которой происходит туннелирование ла [1,4]. Слабое легирование бором позволяет получить образцы с проводимостью на уровне собственной. Предположительная зонная диаграмма слабо легированного бором материала с колончатой структурой приведена на рис. 1, b. Изгиб зон на межколонных границах связан с накоплением дырок на глубоких состояниях вследствие легирования бором.

На рис. 1, c показаны наиболее вероятные механизмы рекомбинации неравновесных носителей. Для расчетов рекомбинации по Шокли–Риду на границах колонн можно воспользоваться хорошо разработанными моделями для неупорядоченных материалов, однако они всегда дают значения показателя степени ЛАХ существенно выше 0.5 [7,8]. Нужно отметить, что мы пренебрегаем вероятностью рекомбинации по Шокли–Риду в объеме колонн, так как оценки показывают, что при всех раРис. 2. Возможные механизмы рекомбинации на межкозумных параметрах рекомбинация на границах является лонной границе. E — энергия, при которой осуществляетопределяющей. Интересный гипотетический механизм ся туннелирование. 1 — термически активируемый процесс, уменьшения показателя степени ЛАХ в неупорядочен- 2 — туннельный переход, 3 — комбинированный процесс.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Связь рекомбинации на интерфейсных состояниях и аномально малого показателя... дырки к границе: Если g(ps) — функция распределения величины ps, то полная концентрация неравновесных носителей может E r(E) быть вычислена путем интегрирования по всем интерR(E) =Nipvpp0 exp - exp -, (1) kT a фейсам как где Ni — концентрация центров рекомбинации на интерфейсе, p — сечение захвата неравновесных дырок, p = Ns g(ps) f (G, ps) dps, (6) vp — тепловая скорость дырок, p0 — концентрация неравновесных дырок на краю подвижности валентной где f (G, ps) — функция заполнения состояний границы, зоны (Ev), r(E) — расстояние туннелирования и которую можно найти, приравнивая генерацию и рекомa — постоянная, характеризующая проникновение волбинацию, приходящиеся на одну границу, новой функции носителя под потенциальный барьер.

Мы приняли вероятность туннелирования пропорциоf (G, ps) =, (7) нальной exp[-r(E)/a], что является обычным допущени1 + Ns/G (ps) ем для локализованных носителей. В случае делокализоNs — полная концентрация границ, G — скорость геневанных носителей лучшим приближением выступает [12] рации электронно-дырочных пар.

Обсудим теперь возможный вид функции распределения g(ps). Для него справедливы следующие предполоD exp - 2µ E(r) - E dr. (2) жения. Во-первых, фактический вид распределения g(ps) L/при малых ps не столь существен, так как соответствуюОба приближения дают экспоненциально спадающую с щие границы не дают вклада в концентрацию неравновесрасстоянием вероятность туннелирования, однако мы ных носителей. Во-вторых, естественно предположить, полагаем приближение локализованных носителей более что доля границ с большими ps сравнительно мала и, реалистичным, так как размеры микрокристаллов, фор- следовательно, при больших ps g(ps) есть спадающая мирующих колонны, весьма малы, и вследствие этого функция и, скорее всего, спадающая достаточно быстро.

волновая функция неравновесных носителей сильно воз- Оказывается, модель не столь чувствительна к конкретмущена и существенно отличается от волновой функции ному виду распределения. Так, нами были проведены квазисвободных носителей. расчеты для экспоненциального, Зависимость r(E) можно рассчитать исходя из формы g(ps) exp(-ps), (8) барьера [13] и гауссова, e2Na p2 2ps s pE(r) = - r + r2, (3) s 2 g(ps) exp -, (9) 40 2Na Na psm где ps — поверхностная плотность дырок, захваченраспределений. Обе функции дают качественно схоных на межколонной границе, Na — концентрация жие результаты, действительно приводящие к субкоракцепторов.

невой ЛАХ. Однако распределение (9) несколько лучАнализ (1) и (2) показывает, что существует резше описывает температурные зависимости показателя кий максимум скорости рекомбинации, соответствующий расстоянию туннелирования, равному ps 20kT rmax = -. (4) Na ae2Na Как следствие, для каждой границы с поверхностной плотностью состояний ps существует характерное время рекомбинации, связанное с rmax, 40kT 2ps (ps) =0 exp - exp, (5) a2e2Na aNa где 0 — предэкспоненциальный множитель, связанный с тепловой скоростью носителей сечениями захвата и т. п.

В рамках такой модели границы с малыми ps будут обладать малыми временами рекомбинации, а с большими ps — большими. Вследствие этого границы с Рис. 3. Сравнение расчетной зависимости показателя степени малыми ps будут в основном пусты, а с большими ps ЛАХ от обратной температуры (сплошная линия) с экспев основном заполнены. Очевидно, что ps — это слу- риментальными данными [2] (1) и [3] (2). Параметры расчета чайная величина, флуктуирующая от границы к границе. приведены в таблице.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 646 К.В. Коугия, Е.И. Теруков Рис. 4. Сравнение результатов расчета спада фотопроводимости после выключения освещения (a) с экспериментальными данными (b). Параметры расчета приведены в таблице. T, K: 1 — 194, 2 — 232, 3 — 261, 4 — 297, 5 — 327, 6 — 351, 7 — 373.

степени ЛАХ и кинетики фотопроводимости, поэтому куренция трех рекомбинационных механизмов. Кажется дальнейшие результаты мы приводим именно для него. вполне очевидным, что при высоких температурах будет Имеет смысл сразу же отметить возможную интерпре- преобладать рекомбинация по Шокли–Риду (1), которая тацию величины psm, входящей в функцию распределе- будет приводить к 0.7 в полном согласии с экспериния. Поскольку величина psm характеризует дисперсию ментальными данными. При очень низких температурах распределения поверхностной плотности состояний на будет преобладать чисто туннельный механизм (2), что границах, она может, по всей вероятности, использоваться для оценки степени разупорядоченности материала.

Параметры модели, использованные в расчетах, приведенных Подставляя (5), (7) и (9) в (6), можно численно на рис. рассчитать зависимости концентрации неравновесных носителей от темпа генерации и температуры. РезульКонцентрация акцепторов Na = 1.1 · 1018 см-таты такого расчета в сравнении с экспериментальными Концентрация интерфейсов Ns = 6 · 1015 см-данными, полученными в работах [2] и [3], приведены Дисперсия распределения на рис. 3. В таблице приведены параметры модели, плотности поверхностных psm = 1 · 1012 см-давшие наилучшее согласие с экспериментом. Можно состояний на интерфейсах констатировать, что все величины имеют весьма разумРадиус локализации a = ные значения.

волновой функции Особо следует обсудить расхождение модели и эксперимента при высоких и низких температурах. Для Временной предэкспоненциальный = 10-12 с множитель этого следует вернуться к рис. 1, a, где обсуждается конФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Связь рекомбинации на интерфейсных состояниях и аномально малого показателя... также приведет к заметному росту показателя [10,11].

Поэтому согласия предлагаемой модели и эксперимента можно ожидать только в узких температурных рамках, где преобладает механизм (3).

Кроме стационарных характеристик фотопроводимости модель позволяет рассчитать временные зависимо сти спада после выключения освещения. Действительно, по прекращении возбуждения происходит рекомбинационное освобождение интерфейсов во времени t с присущими им временами рекомбинации. Поэтому по аналогии с (6) можно полагать, что p(t) =Ns g(ps) f (G, ps) e-t/ (ps) dps. (13) Рис. 7. Зависимости концентрации ионизованных акцепторов Na (1) и степени неупорядоченности материала psm (2) от концентрации легирующей примеси (бора).

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.