WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Влияние электронного облучения на оптические и фотоэлектрические свойства микрокристаллического гидрированного кремния ¶ © А.Г. Казанский, П.А. Форш, К.Ю. Хабарова, М.В. Чукичев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия (Получена 10 января 2003 г. Принята к печати 21 января 2003 г.) Исследовано влияние облучения электронами с энергией 40 кэВ на спектральную зависимость коэффициента поглощения, проводимость и фотопроводимость пленок µc-Si : H. Обнаружено увеличение коэффициента поглощения в „дефектной области“ спектра (h <1.2эВ) и уменьшение фотопроводимости пленок µc-Si : H после их облучения. Исходные параметры восстанавливаются после отжига пленок в течение 1 ч при температуре 180C. Предположено, что наблюдаемые изменения связаны с образованием в пленках µc-Si : H в результате облучения электронами метастабильных дефектов типа оборванных связей на границах колонн микрокристаллов. Получена обратно пропорциональная зависимость между величиной фотопроводимости и концентрацией дефектов, возникающих под действием облучения пленок µc-Si : H электронами.

В последние годы микрокристаллический гидрирован- Исследования проводились на пленках µc-Si : H толный кремний (µc-Si : H) рассматривается в качестве ма- щиной 1 мкм, полученных методом химического осатериала, альтернативного аморфному гидрированному ждения из плазмы, возбуждаемой в условиях циклотронкремнию (a-Si : H), который широко используется для ного резонанса (ECRCVD) [4]. Температура подложки создания различных оптоэлектронных приборов, в част- (кварц) составляла 325C. На поверхности пленки наности солнечных батарей. В значительной степени это пылялись магниевые контакты. Темновая проводимость связано с тем, что в отличие от a-Si : H пленки µc-Si : H (d) полученных пленок при комнатной температуре не изменяют своих свойств под влиянием длительного составляла 8 · 10-7 Ом-1см-1. Облучение пленок поосвещения. током электронов с энергией 40 кэВ и плотностью Исследование влияния облучения быстрыми электро- 3 · 1013 см-2c-1 проводилось при комнатной темперанами на свойства пленок µc-Si : H представляет интерес туре. Полная доза облучения составляла 3 · 1017 cм-2.

для определения эффективности функционирования при- Фотопроводимость ( ph) измеpялась при освещении боров на основе данного материала в условиях воздей- пленок квантами света с энергией h = 1.8эВ и интенствия на него высокоэнергетичных частиц (электронов, сивностью 6 · 1014 см-2c-1. Все измерения проводились протонов). Данные исследования позволяют также по- в вакууме 10-3 Па.

лучить информацию о влиянии возникающих под дейНа рис. 1 показаны спектральные зависимости ствием облучения, в частности, электронами дефектов относительного коэффициента поглощения, на фотоэлектрические и оптические свойства материала.

cpm(h)/cpm(1.8 эВ), полученные методом постоянного Согласно [1], порог образования дефектов при облучефототока, для пленки µc-Si : H до ее облучения нии кристаллического кремния быстрыми электронами электронами (кривая 1) и после облучения (кривая 2).

(сотни кэВ) существенно выше, чем при облучении Получeнные спектральные зависимости характерны a-Si : H (единицы кэВ). Влияние облучения высокоэнердля µc-Si : H с большой долей кристаллической фазы гетичными электронами с энергией 1 МэВ на параметры (> 70%) [5,6]. Как видно из рисунка, облучение µc-Si : H пленок µc-Si : H исследовалось в работах [2,3]. Автоэлектронами с энергией 40 кэВ значительно увеличивает ры [2,3] наблюдали увеличение коэффициента поглокоэффициент поглощения µc-Si : H в области „хвоста“ щения в области энеpгий квантов h =(0.8-1.2) эВ и поглощения (h <1.2эВ). Согласно [6,7], поглощение уменьшение фотопроводимости вследствие увеличения в данной области энергий квантов определяется состояконцентрации дефектов в материале. В то же время ниями дефектов в µc-Si : H. Соответственно полученный пленки µc-Si : H имеют сложную структуру, состоящую результат указывает на увеличение концентрации деиз кристаллической и аморфной фаз, а также содержат фектов в результате облучения µc-Si : H электронами значительную концентрацию атомов водорода. Поэтому с энергией 40 кэВ. Наши измерения показали, что попредставляется интересным исследовать влияние на опвышение температуры облученных образцов приводит тические и фотоэлектрические свойства пленок µc-Si : H к уменьшению поглощения в „дефектной области“ облучения их электронами, энергии которых (десятспектра и соответственно к отжигу дефектов, вызванных ки кэВ) заведомо ниже порога образования дефектов электронным облучением µc-Si : H. В качестве иллюстрав кристаллическом кремнии. Данные исследования были ции на рис. 1 показаны спектральные зависимости проведены в настоящей работе.

cpm(h)/cpm(1.8 эВ), измеренные при комнатной ¶ E-mail: kazanski@phys.msu.su температуре, для облученной пленки после ее отжига Влияние электронного облучения на оптические и фотоэлектрические свойства... На рис. 2 показаны температурные зависимости полной проводимости пленки при ее освещении (ill = ph + d), измеренные до облучения пленки электронами, после облучения электронами, а также для облученной пленки после ее отжига в течение 5 мин при различных температурах. Как видно из рисунка, в результате электронного облучения величина ill уменьшается. Отжиг облученной пленки приводит к возрастанию ill. Измерения, проведенные при комнатной температуре, показали, что электронное облучение практически не изменяло темновой проводимости d и уменьшало величину фотопроводимости ph почти на 2 порядка. Значение ph восстанавливалось после отжига облученной пленки при температуре 180C в течение 1 ч.

Представленные результаты показывают, что облучение µc-Si : H электронами с энергией 40 кэВ приводит к образованию метастабильных дефектов в материале.

Причем отжиг возникших в результате облучения деРис. 1. Спектральные зависимости относительного коэффифектов начинается при сравнительно низких темперациента поглощения (cpm (h)/cpm (1.8эВ)) пленок µc-Si : H до турах. Это иллюстрирует рис. 3, на котором показаиx облучения (1), после облучения (2), после облучения и но влияние температуры отжига (5мин) облученных отжига при температурах 110C (3), 165C (4) и 180C (5) пленок на относительное изменение фотопроводимости в течение 5 мин, а также при температуре 180C (6) в течеA ph/ ph и коэффициента поглощения в „дефектной ние 1 ч.

A A области“ cpm(0.8 эВ)/cpm(0.8 эВ). Здесь значения ph A и cpm(0.8 эВ) cоответствуют данным для необлученной пленки µc-Si : H. Исходные значения ph и cpm(0.8 эВ) восстанавливаются после отжига облученной пленки при 180C в течение 1 ч. Заметим, что представленная на рис. 3 зависимость коэффициента поглощения в дефектной области спектра от температуры отжига для облученной пленки µc-Si : H близка к аналогичной зависимости для концентрации дефектов, созданных облучением электронами, в пленках a-Si : H [8]. Это указывает на одинаковый механизм возникновения и отжига Рис. 2. Температурные зависимости полной проводимости при освещении (ill = d + ph) пленок µc-Si : H до их облучения (1), после облучения (2), после облучения и отжига при температурах 110C (3), 165C (4) и 180C (5) в течение 5 мин.

в течение 5 мин при различных температурах.

Полностью исходное значение поглощения в области Рис. 3. Относительные зависимости фотопроводимости A энергий квантов, меньших 1.2 эВ, восстанавливается ( ph/ ph) (1) и коэффициента поглощения A после отжига облученной пленки при температуре (cpm (0.8эВ)/cpm(0.8эВ)) (2) облученных пленок µc-Si : H от 180Cв течение 1 ч (кривая 6). температуры их отжига в течение 5 мин.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1102 А.Г. Казанский, П.А. Форш, К.Ю. Хабарова, М.В. Чукичев нами зависимость фотопроводимости от величины коэффициента поглощения в дефектной области (см. рис. 4) подтверждает высказанное в работах [13,14] предположение о том, что в µc-Si : H рекомбинация неравновесных носителей при комнатной температуре происходит через локализованные состояния оборванных связей на границах колонн.

Можно предположить, что одним из основных механизмов образования дефектов в µc-Si : H при облучении его электронами с энергией в десятки кэВ, как и в случае a-Si : H является разрыв связей между атомами водорода и кремния [8]. По мнению авторов [15], основная концентрация водорода, пассивирующего оборванные связи в µc-Si : H, расположена на границах колонн. Поэтому разрыв кремний-водородных связей должен привести к увеличению концентрации оборванных связей на границах колонн и соответственно к увеличению поглощения в дефектной области спектра и уменьшению Рис. 4. Зависимость фотопроводимости ( ph) пленки µc-Si : H фотопроводимости.

при комнатной температуре от величины относительного Таким образом, проведенные исследования показали, коэффициента поглощения в „дефектной области“ спектра что, хотя в µc-Si : H в отличие от a-Si : H не наблюдают(cpm (0.8эВ)/cpm (1.8эВ)).

ся фотоиндуцированные изменения свойств, облучение µc-Si : H низкоэнергетичными электронами с энергией в десятки кэВ приводит, как и в случае a-Si : H, к возметастабильных дефектов, возникающих при облучении никновению метастабильных дефектов, влияющих на электронами пленок µc-Si : H и a-Si : H.

оптические и фотоэлектрические параметры материала.

Как видно из рис. 3, с ростом температуры отжига Авторы выражают глубокую благодарность проф.

коэффициент поглощения в дефектной области и соотВ. Фусу и д-ру М. Биркхольцу за предоставление для ветственно концентрация дефектов уменьшаются. В то исследований пленок µc-Si : H.

же время величина фотопроводимости возрастает. Корреляция изменения фотопроводимости и коэффициента поглощения в дефектной области представлена на рис. 4.

Как видно, зависимость ph от cpm(0.8 эВ)/cpm(1.8 эВ) Список литературы близка к обратно пропорциональной (показана на рис. сплошной линией). Этот результат свидетельствует [1] H. Shade, J.I. Pankove. J. de Phys., C-4, Suppl. 10, 42, C4-(1981).

о том, что возникающие при электронном облучении [2] W. Bronner, M. Mehring, R. Bruggemann. Phys. Rev. B, 65, дефекты являются основными центрами рекомбинации 165212-1 (2002).

неравновесных носителей и определяют величину фото[3] R. Bruggemann, W. Bronner, M. Mehring. Sol. St. Commun., проводимости µc-Si : H при комнатной температуре.

119, 23 (2001).

Рассмотрим возможную природу возникающих при [4] I. Beckers, N.H. Nickel, W. Pilz, W. Fuhs. J. Non-Cryst. Sol., электронном облучении µc-Si : H дефектов и возможные 227, 847 (1998).

механизмы их образования. Известно [9], что структура [5] D. Han, D. Yue, J.D. Lorentzen, J. Lin, H. Habuchi, Q. Wang, µc-Si : H сформирована из микрокристаллов, имеющих J. Appl. Phys., 87,1882 (2000).

размеры от единиц до десятков нанометров, которые [6] N. Beck, J. Meier, J. Fric, Z. Remes, A. Poruba, R. Fluckiger, объединены в колонны, расположенные перпендикулярJ. Pohl, A. Shah, M. Vanecek. J. Non-Cryst. Sol., 198–200, но поверхности подложки, с диаметром от десятков 903 (1996).

[7] N. Beck, P. Torres, J. Fric, Z. Remes, A. Poruba, до сотен нанометров. На границах колонн возможно H.A. Stuchlicova, A. Fejfar, N. Wyrsch, M. Vanecek, J. Kocka, наличие аморфной фазы, а также пор. По мнению автоA. Shah. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 452, 761 (1997).

ров [10,11], основными дефектами в µc-Si : H являются [8] M. Stutzmann. In: Amorphous and microcristalline оборванные связи кремния, основная часть которых semiconductor devices, v. II: Material and device physics, ed.

расположена на границах колонн. Предполагается [12], by J. Kanicki (Artech House Boston, London, 1991) p. 129.

что состояния этих дефектов дают вклад в поглощение [9] D. Ruff, H. Mell, L. Toth, I. Sieber, W. Fuhs. J. Non-Cryst.

µc-Si : H при h <1.2 эВ. Таким образом, наблюдаемое Sol., 227, 1011 (1998).

нами увеличение поглощения в дефектной области спек[10] K. Lips, P. Kanschat, D. Will, C. Lerner, W. Fuhs. J. Non-Cryst.

тра (см. рис. 1) указывает на увеличение концентрации Sol., 227, 1021 (1998).

оборванных связей в результате облучения µc-Si : H [11] F. Finger, J. Muller, C. Malten, R. Carius, H. Wagner. J. Nonэлектронами с энергией 40 кэВ. При этом полученная Cryst. Sol., 266, 511 (2000).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Влияние электронного облучения на оптические и фотоэлектрические свойства... [12] A. Poruba, M. Vanecek, J. Meier, A. Shah. J. Non-Cryst. Sol., 299–302, 536 (2002).

[13] А.Г. Казанский, Х. Мелл, Е.И. Теруков, П.А. Форш. ФТП, 36, 41 (2002).

[14] К.В. Коугия, Е.И. Теруков. ФТП, 36, 41 (2002).

[15] K. Tanaka. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 452, 3 (1997).

Редактор Л.В. Беляков The influence of electron irradiation on optical and photoelectrical properties of microcrystalline hydrogenated silicon A.G. Kazanskii, P.A. Forsh, K.Y. Khabarova, M.V. Chukichev Department of Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University, 119992 Moscow, Russia

Abstract

The influence of electron irradiation with 40 keV electrons on absorption coefficient spectral dependence, conductivity and photoconductivity of µc-Si : H films is investigated.

The increase of absorption coefficient in the subgap region (h <1.2eV) and reduction of photoconductivity of µc-Si : H films after electron irradiation are revealed. Initial parameters are restored after annealing of films within 1 hour at 180C temperature. It is assumed that observed parameter changes take place due to creation of metastable defects on microcrystals column boundaries in µc-Si : H films induced by the electron irradiation.

Inversely proportional dependence of photoconductivity value on concentration of the defects induced by electron irradiation of µc-Si : H films is obtained.




© 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.