WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 Поведение структурных дефектов и проводимости в легированных бором пленках nc-SiC : H, выращенных методом photo-CVD ¶ + © О.И. Шевалеевский, S.Y. Myong, K.S. Lim, S. Miyajima, M. Konagai+ Институт биохимической физики Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, South Korea + Tokyo Institute of Technology, 2-12-1 O-okayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, Japan (Получена 21 июля 2004 г. Принята к печати 6 октября 2004 г.) Исследовано поведение парамагнитных DB-дефектов и темновой проводимости (d) в легированных бором пленках нанокристаллического гидрированного кремния с добавками углерода nc-SiC : H, выращенных методом photo-CVD. Показано, что увеличение уровня легирования приводит к фазовому переходу от кристаллической структуры к аморфной. Проводимость растет с легированием до d = 5.5 · 10-2 Ом-1 · см-1, однако после фазового перехода понижается. Концентрация DB-дефектов с легированием монотонно убывает от 1019 см-3 в кристаллической до 9 · 1017 см-3 в аморфной структуре.

Нанокристаллический гидрированный кремний с до- и изучена их взаимосвязь с процессами электронного бавками углерода (nc-SiC : H) является перспективным транспорта.

полупроводниковым материалом для элементов нано- Легированные бором пленки nc-SiC : H толщиэлектроники, солнечных батарей, а также для создания ной 200 нм осаждались на стеклянные подложки оптически прозрачных тонкопленочных проводящих по- (Corning 7059) путем диссоциации моносилана (SiH4), крытий [1,2]. Гетерогенные пленки nc-SiC : H, выращен- водорода (H2) и этилена (C2H4) под действием ульные методом фотостимулированной газофазной эпитак- трафиолетового облучения (метод photo-CVD). Легисии, (photo-CVD), имеют широкую зону оптического рование бором осуществлялось введением в реакципропускания ( 2.2эВ) и высокое значение темновой онную камеру диборана (B2H4), и уровень легироваэлектропроводности d 10-6 Ом-1 · см-1 [3,4]. Однако ния определялся как объемное соотношение потоков для эффективного применения этих материалов в элек- газов CB =[B2H4]/[SiH4], которое изменялось в процестронных устройствах требуется повышение величины d. се роста в пределах 10-3-10-2. При осаждении плеВ микрокристаллическом кремнии (µc-Si : H) и в карбиде нок постоянно поддерживались следующие соотношекремния (nc-SiC : H) это достигается за счет легиро- ния: [H2]/[SiH4] =20, и [C2H4]/[SiH4] =0.07. Давление вания, когда при концентрациях бора 1018-1020 см-3 в камере составляло 0.46 Торр, температура подложпроводимость растет пропорционально уровню легиро- ки 250C. Экспериментальные аспекты приготовления вания [5–7]. Однако условия роста пленок и способы подобных образцов подробно описаны нами в [9]. Плотвведения примеси могут существенно изменить вид ность спиновых дефектов (Ns ) определялась на основе зависимости d от легирования [8]. В гетерогенных анализа спектров ЭПР по описанной ранее схеме [4].

структурах уровень легирования и проводимость могут Измерения темновой электропроводности проводились иметь сложную взаимосвязь, так как внедрение легирую- при комнатной температуре четырехзондовым методом.

щих атомов в процессе роста может повлиять на форми- Структура пленок исследовалась методом рамановрование кристаллической фазы. Данный аспект требует ской спектроскопии. На рис. 1 представлены харакспециального изучения еще и потому, что высокую терные рамановские спектры образцов nc-SiC : H с электропроводность в µc-Si : H и nc-SiC : H связывают различным содержанием бора. Анализ спектров осуименно с кристаллической фазой и высокой концен- ществлялся разложением кривой на гауссовы комтрацией в ней DB-дефектов ( 1018 см-3) [3,7]. Между поненты, соответствующие структурным фазам: критем экспериментальные данные о взаимосвязи спиновых сталлический кремний c-Si ( 520 см-1), a-SiC : H DB-дефектов, проводимости и структурного фазового с малым содержанием углерода ( 480 см-1) и просостава легированного бором nc-SiC : H отсутствуют.

межуточная фаза в области границ нанокристалВ предлагаемой работе проведено исследование вли- лов ( 510 см-1). Объемное содержание нанокристаляния уровня легирования бором на структурные и лической фракции (Xc) определялось как отношение электрические параметры тонких пленок nc-SiC : H, при- интенсивностей соответствующих рамановских пиков:

готовленных методом photo-CVD. С использованием Xc(%) =[(I520 + I510)/(I520 + I510 + I480)] · 100 [3]. Мы спектроскопии электронного парамагнитного резонан- полагаем, что углерод локализуется в основном в обса (ЭПР) измерены концентрации спиновых дефектов ласти границ зерен, где его содержание оценивается ¶ 6ат% [3]. На вставке к рис. 1 представлены данные E-mail: O_Chevale@Yahoo.com Fax: (095)2420253 по изменению величины Xc в зависимости от уровня 742 О.И. Шевалеевский, S.Y. Myong, K.S. Lim, S. Miyajima, M. Konagai состоящей из нанокристаллов c-Si в аморфной матрице.

Дальнейшее увеличение содержания бора приводит к трансфомации структуры в преимущественно аморфную.

На рис. 2 показано изменение вида спектров ЭПР в пленках nc-SiC : H, происходящее по мере увеличения уровня легирования. Все спектры характеризуются широкой асимметричной линией ЭПР полушириной ( Hpp) около 20-30 Гс и величиной g-фактора g =(2.006 ± 0.0005), что соответствует нейтральным кремниевым DB-дефектам [10]. Вид и положение спектров ЭПР определяется спиновыми DB-дефектами, которые локализованы на поверхности нанокристаллов и в области границ зерен, в то время как уширение и асимметрию резонансной линии связывают обычно с большим разбросом парамагнитных дефектов в кристаллической фракции [4,11].

На рис. 3 показана количественная взаимосвязь между уровнем легирования, концентрацией спиновых дефектов (Ns ) и величиной темновой провоРис. 1. Экспериментальные спектры рамановского рассеяния димости. В пленках с высокой степенью кристалобразцов nc-SiC : H с различным уровнем легирования бором:

личности (Xc > 50%) рост уровня легирования боCB = 10-3 (1), 3 · 10-3 (2) и 8 · 10-3 (3). На вставке — ром до значений CB (3-4) · 10-3 сопровождаетзависимость степени кристалличности образца Xc от уровня ся монотонным увеличением d от 10-7 Ом-1 · см-легирования.

в нелегированном образце до максимальной величины 5.5 · 10-2 Ом-1 · см-1. Дальнейшее повышение уровня легирования (CB > 4 · 10-3) инициирует фазовый переход от кристаллической к аморфной структуре. Штриховые линии на рисунке обозначают приблизительную границу структурного фазового перехода. В области после перехода увеличение уровня легирования (4 · 10-3 < CB < 8 · 10-3) приводит к значительному, на 2 порядка величины, понижению d. Мы предполагаем, что при доминировании в образце аморфной фазы понижение d с легированием объясняется разрушением остатков кристаллической фазы образца, которое происходит по мере роста содержания бора.

Рис. 2. Эволюция спектра ЭПР (EPR) поглощения в nc-SiC : H при легировании бором и изменении степени кристалличности:

1 — CB = 10-3, Xc = 65%; 2 — CB = 3 · 10-3, Xc = 48%;

3 — CB = 8 · 10-3, Xc = 0.

легирования бором для всех исследованных образцов.

Как видно из рисунка, рост содержания бора в процессе роста пленки инициирует структурный фазовый переход от кристаллической (Xc 70%) к полностью аморфной структуре, реализующейся при уровне легирования Рис. 3. Изменение плотности DB-дефектов Ns (1) и темновой CB = 8 · 10-3. Анализ кривых показывает, что при отпроводиости d (2) в nc-SiC : H от уровня легирования боносительно низких уровнях легирования (CB < 4 · 10-3) ром CB и степени кристалличности Xc. Область структурного гетерогенные образцы обладают смешанной структурой, фазового перехода выделена штриховыми линиями.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Поведение структурных дефектов и проводимости в легированных бором пленках nc-SiC : H... Рассмотрим характер поведения d и Ns с точки [5] А.Г. Казанский, Х. Мелл, Е.И. Теруков, П.А. Форш. ФТП, 36, 41 (2002).

зрения изменения фазового состава пленок в про[6] H.K. Lee, S.Y. Myong, K.S. Lim, E. Yoon. J. Non-Cryst. Sol., цессе легирования. Мы полагаем, что избыточное по 316, 297 (2003).

отношению к аморфной фазе количество парамагнит[7] F. Finger, J. Muller, C. Malten, R. Carius, H. Wagner.

ных дефектов обусловлено нанокристаллической фаJ. Non-Cryst. Sol., 266–269, 511 (2000).

зой и пропорционально кристалличности образца Xc.

[8] М.М. Мездрогина, А.В. Пацекин. ФТП, 34, 354 (2000).

Действительно, как следует из рис. 3, величина Ns [9] S.Y. Myong, T.H. Kim, K.S. Lim, K.H. Kim, B.T. Ahn, в процессе легирования монотонно уменьшается, начиS. Miyajima, M. Konagai. Sol. Energy Mater. Solar. Cells, 81, ная от Ns = 1019 см-3 в нелегированном образце, где 485 (2004).

Xc = 70%, до значения Ns = 9 · 1017 см-3 в полностью [10] C. Boehme, K. Lips. J. Non-Cryst. Sol., 338–340, 434 (2004).

аморфной структуре, реализующейся при уровне леги[11] M. Stutzmann, M.S. Brandt, M.W. Bayerl. J. Non-Cryst. Sol., рования бором CB = 8 · 10-3. В свою очередь поведение 266–269, 1 (2000).

кривой проводимости отражает изменение механизмов Редактор Л.В. Шаронова переноса вследствие структурного фазового перехода от кристаллической структуры к аморфной. При малых Spin defects and conductivity концентрациях легирования в образцах с большим уровin boron-doped hydrogenated нем кристалличности высокое значение d обусловлено эффективностью переноса зарядов по поверхностным nanocrystalline silicon–carbon films дефектам кристаллитов [11]. В этом случае внедрение O.I. Shevaleevskiy, S.Y. Myong, K.S. Lim, акцепторной примеси бора дополнительно увеличиваS. Miyajima+, M. Konagai+ ет d. После структурного фазового перехода, когда в образце доминирует аморфная фаза, ожидаемое за Institute of Biochemical Physics, счет увеличения концентрации бора повышение d не Russia Academy of Sciences, компенсирует ее уменьшения, происходящего по мере 119991 Moscow, Russia разрушения кристаллической фазы образца. В результа- Korea Advanced Institute of Science and Technology, те в области границы перехода на кривой проводимо- Daejeon 305–701, South Korea + сти наблюдается перегиб, после которого дальнейшее Tokyo Institute of Technology, легирование сопровождается спадом величины d. Еще 2-12-1 O-okayama, Meguro-ku, раз повторим, что в этом случае спад проводимости Tokyo 152-8552, Japan с легированием связан с понижением величины Xc.

Можно констатировать, что увеличение проводимости

Abstract

Spin defects and dark conductivity have been studied при легировании бором гетерогенных пленок nc-SiC : H in a hydrogenated boron-doped nanocrystalline silicon–carbon со смешанными кристаллической и аморфной фазами films (nc-SiC : H) prepared by using photo chemical vapor deposiможет быть эффективным только в образцах с высоким tion (photo-CVD) technique. It was found that B-doping initiates уровнем кристалличности.

the phase transition from crystalline structure to the amorphous Таким образом, в данной работе методом ЭПР были one. In perfect crystalline samples the conductivity increases with впервые исследованы спиновые дефекты в легированных doping while after phase transition it demonstrates an opposite бором тонких пленках nc-SiC : H, выращенных методом behavior. At the same time the concentration of DB-defects photo-CVD. Обнаружена взаимосвязь между степенью monotonically decreases with doping.

кристалличности образцов, концентрацией DB-дефектов и величиной электропроводности. Показано, что увеличение уровня легирования бором в процессе роста пленки до CB (3-4) · 10-3 инициирует структурный фазовый переход от кристаллической структуры к аморфной.

Данная работа была частично поддержана грантом РФФИ № 04-02-17050.

Список литературы [1] S.Y. Myong, S.S. Kim, K.S. Lim. J. Appl. Phys., 95, 1525 (2004).

[2] Y. Hamakawa, H. Okamoto, Y. Tawada. Int. J. Solar Energy, 1, 125 (1982).

[3] О.И. Шевалеевский, А.А. Цветков, Л.Л. Ларина, S.Y. Myong, K.S. Lim. ФТП, 38, 547 (2004).

[4] O. Chevaleevski, S.Y. Myong, K.S. Lim. Sol. St. Commun., 128, 355 (2003).

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.