WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1 Релаксация созданного освещением метастабильного состояния a-Si : H p-типа, легированного бором © А.Г. Казанский, Э.В. Ларина Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 119889 Москва, Россия (Получена 20 февраля 1997 г. Принята к печати 3 июня 1997 г.) Исследована релаксация темновой проводимости пленок a-Si : H, легированных бором, после их освещения в интервале температур 360-470 K. Показано, что выбор условий освещения пленок (времени освещения и температуры) позволяет на основании изучения релаксации проводимости независимо исследовать релаксацию концентрации созданных светом метастабильных дефектов типа оборванных связей и релаксацию концентрации метастабильных состояний, связанных с примесными атомами. Как в первом, так и во втором случае релаксация происходит по закону растянутой экспоненты. Определены основные параметры, характеризующие релаксацию, и их температурные зависимости. Полученные результаты интерпретируются в рамках модели распределения энергий отжига, созданных светом метастабильных состояний.

Известно, что освещение пленок a-Si : H приводит силана (SiH4) и диборана (B2H6) в высокочастотном к возникновению метастабильного состояния материа- тлеющем разряде при температуре подложки (кварц) ла [1]. Отжиг при температурах 100-200 K (в зависи- 250C. Объемное отношение B2H6 к SiH4 составляло мости от уровня и типа легирования) восстанавливает 10-5 (образец 10 ppm) и 3 · 10-5 (образец 30 ppm).

исходные параметры пленок. В большинстве работ, по- Пленки освещались светом лампы накаливания через священных изучению метастабильного состояния, иссле- тепловой фильтр с интенсивностью 60 мВт/см2. Осведованы нелегированные пленки a-Si : H. Считается уста- щение проводилось в интервале температур 360-470 K.

новленным, что возникновение и релаксация метаста- Релаксация измерялась при температурах освещения и бильного состояния в нелегированных пленках связаны регистрировалась с помощью запоминающего цифрового с монотонным изменением концентрации дефектов типа осциллографа C 9-8. Перед измерениями пленки отжигаоборванных связей, причем кинетика изменения харак- лись в вакууме при температуре 190Cв течение 30 мин.

теризуется законом типа растянутой экспоненты [2,3].

На рис. 1 показаны зависимости от времени освещения Метастабильное состояние, вызванное освещением ле- (till) относительно изменения при различных темперагированных пленок a-Si : H, исследовано в значитель- турах темновой проводимости (B/A) пленки 10 ppm, но меньшей степени. Наличие легирующих примесей где A и B соответственно темновая проводимость до существенно усложняет процессы возникновения мета- и после освещения. Измерения проводились через 3 c стабильного состояния. В частности, немонотонное по после выключения освещения. Как видно из рисунка, для мере освещения изменение проводимости связывают с T < 400 K зависимости B/A(till) имеют немонотонный вкладом возможных процессов, определяемых примес- характер, убывая при малых и возрастая при больших ными атомами (изменением концентрации электрически активных примесей [4,5], а также изменением концентрации дефектов, коррелированных с примесями [6]).

Релаксация проводимости после прекращения освещения, связанная с релаксацией метастабильного состояния легированного фосфором [7], бором [4] и компенсированного a-Si : H [6], также имеет немонотонный характер.

Это свидетельствует о том, что релаксация метастабильного состояния легированного a-Si : H, в общем случае, определяется как минимум двумя процессами.

Для корректного изучения указанных процессов представляет интерес проведение измерений в условиях подавления одного из них. Как отмечено в [8], это может быть сделано при измерении релаксации проводимости легированного a-Si : H после его освещения при различных температурах в течение различного времени. В настоящей работе данные исследования были проведены Рис. 1. Зависимости изменения относительной темновой для пленок a-Si : H p-типа, легированных бором.

проводимости B/A пленки 10 ppm от времени освещения till, Измерения выполнялись на пленках a-Si : H, толщиной полученные при разных температурах, K: 1 — 360, 2 — 380, порядка 1 мкм, полученных разложением смеси моно3 — 400, 4 — 440.

118 А.Г. Казанский, Э.В. Ларина Рис. 2. Релаксация положения уровня Ферми Ef (-Ef ) после освещения пленки 10 ppm в течение 1 с при T < 400 K (a) и в течение 5 мин при T > 440 K (b). Сплошные кривые получены методом нелинейной регрессии для растянутых экспонент. T, K:

1, a — 360, 2, a — 380, 3, a — 400; 1, b — 440, 2, b — 450, 3, b — 460, 4, b — 470.

временах освещения. Аналогичный характер изменения Рассмотренные выше результаты указывают на возB/A наблюдался для пленки 30 ppm. Увеличение можность независимого изучения релаксации вызванных уровня легирования приводило лишь к смещению ми- светом изменений, связанных с первым процессом (изменимума B/A к меньшим временам освещения. На- нением концентрации дефектов) и со вторым процессом блюдаемая зависимость B/A(till) свидетельствует о (возможным изменением концентрации электрически актом, что изменение B/A определяется конкуренцией тивных примесей). В частности, релаксация проводимодвух процессов, вызванных освещением. Один из них, сти после кратковременного освещения (t < tmin) при приводящий к уменьшению B/A при малых временах T < 400 K должна быть связана с первым процессом.

освещения, может быть связан с появлением доноропо- В то же время релаксация проводимости после освещедобных состояний (ДС) выше положения уровня Ферми ния при высоких температурах должна быть связана со (Ef ). Предполагается [4,9], что этими состояниями мо- вторым процессом.

гут быть состояния оборванных связей. Второй процесс, Происходящее в результате первого или второго определяющий изменение B/A при больших временах процесса изменение концентрации состояний (N) освещения, может быть связан с появлением акцепторо- приводит к смещению положения уровня Ферми подобных состояний (АС) ниже Ef. По мнению авто- Ef = EB - EA N(Ef )N, где N(Ef ) — плотность со= f f ров [4], это является следствием увеличения в результате стояний в области смещения Ef, а Ef =kT ·ln(A/B).

освещения концентрации электрически активных атомов В предположении N(Ef ) = const имеем Ef N.

бора. С повышением температуры положение минимума Таким образом, измерение релаксации Ef (t) позволяет (tmin) зависимости B/A(till) смещается в область мень- судить о релаксации N(t).

ших времен освещения. Это указывает на возрастание На рис. 2, a показана релаксация Ef после освещения роли второго процесса в изменении проводимости с пленки 10 ppm в течение 1 с при T 400 K. Релаксация повышением температуры.

Ef в этих условиях определяется релаксацией изменеРассмотрим область высоких температур. Как видно из ний B/A, вызванных первым процессом, приводящим рис. 1, при T = 440 K в условиях измерений наблюдается к уменьшению проводимости при освещении. Как видно монотонное возрастание B/A. Подобное изменение из рисунка, за исключением начального участка, релакB/A свидетельствует о превалирующей роли второго сация Ef, связанная с релаксацией метастабильных процесса в области высоких температур. Согласно [8], состояний, удовлетворительно описывается растянутой это связано с различием характерных температур отжига экспонентой Ef [exp -(t/r)] (сплошные кривые).

изменений, вызванных первым процессом (360-380 K) и Анализ начального участка релаксации проведен в рабовторым процессом (460-480 K). те [9]. На рис. 2, b показана релаксация Ef после освеФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Релаксация созданного освещением метастабильного состояния a-Si : H p-типа... щения пленки 10 ppm в течение 5 мин при T 440 K.

В этих условиях релаксация Ef в основном должна определяться релаксацией изменений B/A, вызванных вторым процессом, приводящим к увеличению проводимости при освещении. Для T = 440 K на начальном этапе релаксации наблюдается некоторое увеличение -Ef, связанное с вкладом в релаксацию состояний, вызванных первым процессом. Из рисунка видно, что, как и для низких температур, релаксация, полученная при высоких температурах, удовлетворительно описывается растянутой экспонентой (сплошные кривые).

Если предположить, что первый и второй процессы связаны с появлением соответственно ДС и АС, то представленные на рис. 2, a, b кривые отражают релаксацию их концентраций. На рис. 3 показаны температурные заРис. 4. Влияние температуры освещения на распределение висимости параметров растянутой экспоненты для релакэнергий активации отжига P(Ea) метастабильных состояний, сации концентраций ДС и АС, представленных на рис. 2.

соответствующих первому (1) и второму (2) процессам.

Эффективное время релаксации r для ДС активационно зависит от температуры r = 0 exp(E/kT ) с энергией активации E = 1.02 эВ и 0 = 5 · 10-12 с. Полученное значение E близко к значению энергии активации отжига различных температурах. Предполагается, что в этих созданных светом оборванных связей в a-Si : H. В случае условиях происходит релаксация (уменьшение) конценАС в области высоких температур значение r также трации электрически активных примесей [11].

активационно уменьшается с повышением температуры Рассмотрим полученные результаты. Согласно [12], с энергией активации E = 1.33 эВ и 0 = 5 · 10-14 с. В то наблюдаемая при отжиге релаксация концентрации меже время, как видно из рис. 3, изменение температуры тастабильных состояний по закону растянутой экспоненсущественно по-разному влияет на параметр, характеты может свидетельствовать о распределении энергий ризующий релаксацию концентраций ДС и АС. В случае активации отжига P(Ea) метастабильных состояний, соДС параметр практически не зависит от температуры зданных светом. Более широкому распределению соот(наблюдается тенденция его увеличения с температуветствует меньшее значение параметра. В то же время рой). В случае же релаксации концентрации АС значение для данного распределения с ростом температуры отжи существенно уменьшается с ростом температуры. Анага параметр должен возрастать. В условиях нашего логичное изменение наблюдалось для образца 30 ppm.

эксперимента релаксация исследовалась при температуЗаметим, что подобная температурная зависимость и рах освещения. Поэтому, если изменение температуры E = 1.39 эВ для r были получены в работе [10] для освещения приводит к изменению P(Ea) созданных сверелаксации проводимости пленок a-Si : H, легированных том метастабильных состояний, то это должно сказаться бором, после их закалки и последующего отжига при на наблюдаемой зависимости (T ). Как показано в работе [13], распределение P(Ea) может быть получено при дифференцировании кривых релаксации концентрации метастабильных состояний, вызванных освещением N (что в нашем случае соответствует релаксации Ef ), а именно P(Ea) d[N(t)]/d[kT · ln(t/0)]. Полученные на основании наших измерений данные для P(Ea) при некоторых температурах для ДС и АС представлены на рис. 4. При вычислении использовались указанные выше значения 0. Как видно из рисунка, максимумы P(Ea) соответствуют измеренным энергиям активации r. В случае ДС ширина P(Ea) практически не зависит от температуры освещения. В то же время для АС наблюдается существенное уширение P(Ea) с ростом температуры освещения. Это может объяснить наблюдаемые зависимости (T ) и свидетельствует о существенном отличии механизмов, определяющих первый и второй процесс.

Таким образом, проведенные исследования позволили Рис. 3. Влияние температуры на параметры релаксации установить основные параметры, характеризующие реr (1, 2) и (3, 4), полученные из анализа данных, предсталаксацию изменений проводимости, связанных с процесвленных на рис. 2, a (1, 3) и рис. 2, b (2, 4).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 120 А.Г. Казанский, Э.В. Ларина сом образования дефектов, приводящим к уменьшению проводимости в результате освещения a-Si : H p-типа, и процессом, приводящим к увеличению проводимости и связанным, по-видимому, с примесями.

Авторы признательны проф. В. Фусу, д-ру Х. Меллу за предоставление пленок a-Si : H, легированных бором, и И.А. Куровой за полезные дискуссии.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантом INTAS-93-1916 и Госкомвузом РФ (грант 95-0-7.1-153 в области фундаментального естествознания).

Список литературы [1] D.L. Staebler, C.R. Wronski. Appl. Phys. Lett., 31, 292 (1977).

[2] W.B. Jackson, J. Kakalios. Phys. Rev. B, 37, 1020 (1988).

[3] W.B. Jackson, D.M. Moyer. Phys. Rev. B, 36, 6217 (1987).

[4] J. Jang, S.C. Park, S.C. Kim, C. Lee. Appl. Phys. Lett., 51, 1804 (1987).

[5] А.Г. Казанский, Д.Г. Яркин. ФТП, 27, 1693 (1993).

[6] A.G. Kazanskii, I.A. Kurova, I.P. Zvyagin, D.G. Yarkin. J. NonCryst. Sol., 198–200, 470 (1996).

[7] X.-M. Deng, H. Fritzsche. Phys. Rev. B, 36, 9378 (1987).

[8] А.Г. Казанский. Вест. МГУ. Сер. 3, Физика, астрономия, 33, 70 (1992).

[9] А.Г. Казанский. ФТП, 31, 347 (1997).

[10] R. Meaudre, M. Meaudre, P. Roca i Gabarrocas. Appl. Phys.

Lett., 62, 594 (1993).

[11] C.E. Nebel, R.A. Street, W.B. Jackson, N.M. Jonson. Phil. Mag.

B, 69, 291 (1994).

[12] D. Redfield. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 258, 341 (1992).

[13] M. Stutzmann, W.B. Jackson, C.C. Tsai. Phys. Rev. B, 32, (1985).

Редактор В.В. Чалдышев Relaxation of a light-induced metastable state of boron doped p-type a-Si : H A.G. Kazanskii, E.V. Larina Moscow State University, 119899 Moscow, Russia

Abstract

Dark conductivity relaxation of boron doped a-Si : H films after their illumination within temperature range 360-470 K has been studied. It is shown that the measurements of conductivity relaxation after illumination in different conditions (the illumination time and temperature) makes it possible to ivestigate separately both the relaxation of the light-induced metastable dangling bond concentration and the relaxation of the metastable state concentration, which are determined by impurity atoms. Both relaxations obey the stretched-exponential time law. Parameters of the relaxations and their temperature dependences have been measured. The experimental results can be explained in the framework of a model based on the annealing activation energies distribution for light-induced metastable states.




© 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.