Оптические и фотоэлектрические свойства - кремний-2010

Физика слоев гидрированного кремния
А.Г.Казанский
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
Содержание
 Введение
 Структура и дефекты
 Распределение плотности электронных состояний
 Перенос носителей заряда (проводимость)
 Оптические свойства
 Заключение
Введение
Почему гидрированный кремний (a-Si:H, nc-Si:H) ?
 Атомы водорода уменьшают концентрацию дефектов в a-Si
(пассивируют оборванные связи).
H в пленках до 15 ат.%.
Чем интересен ?
 Низкая стоимость (низкие температуры получения <300 C)
 Технологичность
 Широкие возможности применения
Основные области применения.
 Тонкопленочные солнечные элементы
(тандемные структуры)
 Полноцветные широкоформатные дисплеи
(матрицы управления)
Основная особенность a-Si:H и nc-Si:H:
Возможность создания структур большой площади

Электроника больших площадей
Получение пленок a-Si:H и nc-Si:H (c-Si:H)
методом PECVD
Изменяя соотношение газов R= [H2]/[SiH4] в смеси
SiH4 + H2 можно изменять структуру пленок
Структура

Плотность электронных состояний в щели
подвижности

Электрические и оптические свойства
Основные физические свойства a-Si:H
Структура a-Si:H
c-Si
a-Si
 В а-Si:Н сохраняется ближний порядок :
 Число ближайших атомов такое же, как в с-Si (4)
 Расстояние между ближайшими атомами и угол между связями близки
к значениям в с-Si. тетраэдрическая координация
 Разброс в расстояниях межу атомами в а-Si:Н и углах между связями
 отсутствует дальний порядок в расположении атомов.
a-Si
Дефекты в a-Si
a-Si:H
 Идеальная неупорядоченная сетка тетраэдрически координированных
атомов Si - напряженная структура.

Напряжение снимается  разрыв связей между атомами Si  возникают
оборванные связи (основные дефекты в а-Si (1019 см-3 ).
 Введение водорода пассивация оборванных связей и уменьшение их
концентрации (1015 см-3).
Распределение плотности электронных состояний в
a-Si:Н
E
EС
Делокализованные
состояния
Хвост
зоны
Состояния
дефектов
EV
Хвост
зоны
Щель
подвижности
Еg=(1.6-1.8) эВ (Н Еg ).
(Локализованные
состояния)
N
Делокализованные
состояния

Наличие ближнего порядка  область энергий с малой
плотностью состояний (щель подвижности)

Отсутствие дальнего порядка хвосты плотности состояний
 Пассивация водородом  выводит состояния дефектов из щели
подвижности в валентную зону
Перенос носителей заряда (проводимость) в a-Si:H
с
t
F
F
1) с= ocexp[-(Ec-EF)/kT)
2) t= ot exp[-(Ect-EF+w)/kT)
где Ect – энергетическое положение «эффективного» уровня
протекания по состояниям хвоста, а w- энергия активации
прыжка
3) F=оFexp[-(T0/T)1/4]
где T0 –параметр, зависящий от плотности состояний на уровне
Ферми - N(EF)
Полная проводимость a-Si:H:  =с+ t+ F
Температурная зависимость проводимости a-Si:H
Lg 
ЕС -Е F
Е - ЕF+w
-1/4
Т
1/T
Влияние легирования на проводимость a-Si:H
Фотоиндуцированные метастабильные состояния
в a-Si:H
 Освещение a-Si:H  увеличение концентрации дефектов
(оборванных связей)  уменьшение проводимости и
фотопроводимости (эффект Стеблера-Вронского)
 Отжиг при Т=180 0С  восстановление исходных параметров
Причина – разрыв слабых связей:
Поглощение светанеравновесные носители заряда 
рекомбинациявыделение энергииразрыв связей
D.B.
D.B.
D.B.
W.B.
H
energy
H
H
Si
Si
Si
Основные физические свойства nc-Si:H
(c-Si:H)
Структура nc-Si:H (c-Si:H) (ХС80%)
Дефекты (данные ЭПР):
 g= 2.0052 (db1) оборванные
связи (как в a-Si:H)
g= 2.0043 (db2) оборванные
связи (в областях, обогащенных кислородом ?)
 Ndb=Ndb1 + Ndb2=Ndb1 1016 cm-3
Ndb< Ncr = (1017-1019) cm-3
(C.Bohme (2002))
 Дефекты и водород расположены, в основном, на границах колонн и в аморфной фазе
Распределение плотности электронных состояний в
nc-Si:H
Близость свойств a-Si:H и nс-Si:H  «Эффективное» распределение
 Справедливо для большой
доли нанокристаллической фазы
Cтруктурный беспорядок 
хвосты плотности состояний.
«Широкое» распределение
состояний дефектов (0.6 эВ).
(P.Kanschat et al (2000))
 Не учитывает многофазности
материала:
а) где состояния дефектов ?
б) где энергетические барьеры?
Перенос носителей заряда (проводимость) в nc-Si:H
 T<40 K  прыжковая проводимость по хвостам зон в колоннах (и
под «межколонными» барьерами).
 Т>100 K проводимость по
делокализованным состояниям в
колоннах.
Активационная подвижность
определяется потенциальными
барьерами между колоннами.
А- колонны
нанокристаллов
В1 – аморфная фаза
В2 - поры
Основные физические свойства
двухфазных пленок a+nc-Si:H
Cпектры комбинационного рассеяния
4500
Raman spectroscopy
4000
RH
5
8
15.3
16.7
60
Intensity, arb. units
3500
3000
=480 cm -1

аморфная фаза
2500
2000
1500
1000
350
400
450
500
550
600
=520 cm -1

нанокристаллическая
фаза
-1
, cm
 Доля нанокристаллической фазы (XC) : Xc (1÷85)%
(из анализа интенсивностей линий спектров комбинационного
рассеяния).
Плотность состоянийнеобходимо учитывать
пространственное распределение (двухфазность материала)
Зависимость проводимости и фотопроводимости
от XC
Перколяционный «пробой» при Хс =0.3 (30%)
Оптические свойства a-Si:H и nc-Si:H
(c-Si:H)
Спектральная зависимость коэффициента поглощения
в a-Si:H
E
С
В
Состояния Хвосты
зон
дефектов
А
Зоназона
EС
EF
EV
Информация, получаемая из анализа спектральных зависимостей
коэффициента поглощения:
Область А  ширина щели подвижности
Область В  протяженность хвостов зон
Область С  концентрация дефектов ( оборванных связей)
N
Спектральные зависимости коэффициента поглощения
В области h>1.7 эВ
поглощение в a-Si:H
больше, чем в с-Si:H
В области 1.0эВ <h<1.7
эВ поглощение в a-Si:H
меньше, чем в с-Si:H
(большая доля Хс)
Характер спектральных
зависимостей
коэффициента поглощения
с-Si:H зависит от Хс
Сопоставление параметров a-Si:H и nc-Si:H (c-Si:H)
Материал
а-Si:H
nс-Si:H (с-Si:H)
Метод получения
разложение
SiH4
разложение
SiH4+H2
Температура подложки
(200-250) 0C
(250-300) 0C
аморфная
аморф.+кристал.
Структура
(0% < XC < 90%)
dкрист. = (3-30) нм
Lколон. (30-100) нм
Ширина щели
подвижности
(1.6-1.8) эВ
1.1 эВ
(большие XC)
Подвижность носителей
(электронов)
De 0.5 cm2/Всек
De  2 cm2/Всек +
(большие XC)
Фоточувствительность
(фотопров./проводим.)
высокая +
низкая
нестабильный
стабильный +
Стабильность
параметров
Заключение
Гидрированный аморфный (a-Si:H) и нанокристаллический
(nc-Si:H) кремний основные физические свойства изучены
и объяснены.
Двухфазный гидрированный (a-Si:H + nc-Si:H) кремний 
исследован в меньшей степени.
Протокристаллический гидрированный кремний
(нанокристаллы кремния в аморфной матрице)малоизучен.
По сравнению с a-Si:H:
 большая стабильность параметров ???
 большая фотопроводимость???
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
III. Фотопроводимость с-Si:Н
(1) Зависимость фотопроводимости от температуры
Величина фотопроводимости:
 Т< 40 К  не зависит от
температуры
 Т> 100 K возрастает почти
экспоненциально
Вывод: при Т= 40 К
изменяются механизмы
рекомбинации, переноса
носителей
(J.-H.Zhou et al. (1998))
Показатель люкс-амперной зависимости ( ph G)
 T< 40K 1
 T=(40-150)K  уменьшается
 T > 100К  < 0.5 !?
Вывод: при Т= 40 К
изменяются процессы
рекомбинации
(J.-H.Zhou et al. (1998))
(2) Зависимость фотопроводимости от уровня легирования
 Рост уровня легирования 
увеличение фотопроводимости
(как в a-Si:H)
 Подвижность слабо зависит от
уровня легирования
Вывод: при смещении ЕF к
краям зон время жизни
носителей возрастает
(R.Bruggemann et al. (1998))
(3) Зависимость фотопроводимости от концентрации
дефектов (Т=300 К)
10-5
ph (S/cm)
Дефекты создавались электронным облучением.
10-6
 ph  1/(0.8 эВ)
 (0.8 эВ)  Ndb
10-7
10-8
10-1
100
101
(0.8 eV) (cm-1)
(А.Г.Казанский и др. (2003))
102
Вывод: Дефекты (оборванные
связи) – основные центры
рекомбинации.
Фотопроводимость  ph=eG
1) Генерация неравновесных носителей
 1/2cpm(h)E0=1.12эВ
10-1
Вывод: генерация неравновесных
носителей происходит в кристаллической фазе
1,2
cpm1/2, arb. units
cpm /cpm(1.8 eV)
100
10-2
10-3
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,0
1,5
2,0
h, eV
10-4
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
h, eV
(А.Г.Казанский и др. (2000))
2,0
2) Механизмы транспорта неравновесных носителей
 T<40 K  прыжковая проводимость по хвостам зон в колоннах (и
под «межколонными» барьерами).
 Т>100 K проводимость по
делокализованным состояниям в
колоннах.
Активационная подвижность
определяется потенциальными
барьерами между колоннами.
3) Механизмы рекомбинации неравновесных носителей
(а) Зависимость от температуры
T < 40 K
Как в a-Si:H.:
 Прыжковый перенос с потерей
энергии по состояниям хвоста
(В.I.Shklovskii et al (1989)).
 Туннельная рекомбинация из
состояний хвоста на состояния
оборванных связей

 Перенос и рекомбинация носителей не зависят от температуры.
1
T > 100 K
a-Si:H
 Проводимость по зоне
 Рекомбинация из зоны на состояния
дефектов
  > 0.5
c-Si:H
Учет барьеров в области рекомбинации
  < 0.5 (может быть) (К.В.Коугия и др.
(2001))
Т  (слабо)
 (активационно  барьеры)

ph(T) определяется (Т)
б) Зависимость времени жизни носителей заряда от уровня
легирования (положения уровня Ферми).
•Эксперимент (R.Bruggemann et al.(1998), А.Г.Казанский и др.(2002)) :
Время жизни основных носителей заряда возрастает при
смещении EF к краям зон (с уровнем легирования).
Возможные причины:
1)Уменьшение числа центров рекомбинации (как в a-Si:H)
(R.Bruggemann et al.(1998))
Но: Ndb слабо зависит от положения EF в с-Si:H.
2)Уменьшение высоты и ширины барьеров в области db
(А.Г.Казанский и др.(2002))
Кто прав ?
Модель процессов рекомбинации в с-Si:H