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= ocexp[-(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=оFexp[-(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 светанеравновесные носители заряда рекомбинациявыделение энергииразрыв 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) (ХС80%) 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 состоянийнеобходимо 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/Всек De 2 cm2/Всек + (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=eG 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