Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
В F-ЯМР-спектрах на пленках TP-a-Si:(F, Н) преобладала широкая линия. Поэтому атомы F в этих пленках должны находиться преимущественно в ассоциированном виде. В TP-a-SIi:F появляются как широкие, так и узкие линии. После отжига ЯМР-спектр TP-a-Si:F остается неизменным, а ЯМР-спектр на пленке TP-a-Si.(F, Н) при более высоких температурах измерения меняется существенно. Эффект сужения резко выражен для F-ЯМР в пленке a-Si:(F, Н) после отжига при 600 °С. Эти результаты можно объяснить сужением при движении, вызванным подвижными группами F в виде SiF4 при (SiF2 )„.
Измерения Н- и F-ЯМР проводились на различных типах пленок a-Si, а именно B4P-a-Si:H, TP-a-Si:H, TP-a-Si:(F, Н) и B4P-a-Si:F, изготовленных в разных условиях. Для изучения механизма вхождения и роли Н и F в a-Si результаты ЯМР сравнивались с результатами измерения ЭПР, ИК-поглощения и фотопроводимости [16]. На рис. 3.1.4 показана
85
10*
10'
10'{
•к
lo
10'
10'*
• 1
о 2
о ^ о
«о
10го
10'
? 10»
101
70''
• 1
f V о2
\
- \о •
о \
\
.\
\
" • \ .
\ I»
?? • •
- л • !
\ о
V •
- \
\ t і
7 / 2 3 15
% (am.)
О 5 10 15 20 25 [H]t,%(am.)
Рис. 3.1.4. Зависимость спиновой плотности Ns свободных связей от полного содержания водорода[16]: 1 - a-Si:H;2 - a-Si(Fe, Н)
Рис. 3.1.5. Зависимость спиновой плотности для свободных связей от содержания водорода, вносящего вклад в узкую составляющую ЯМР-линии [ 16]: 1 - а-51:Н;2 - а-51:(Р, Н)
зависимость спиновой плотности Ns в ЭПР, относящейся к свободным связям (g = 2,0055), от общего содержания водорода, определенного методом ЯМР. Величина Ns имеет вначале тенденцию к уменьшению с увеличением [H]t до 10-15%, а затем начинает расти, но для результатов характерен большой разброс и четкая корреляция между Ns и [Н] t отсутствует. На рис. 3.1.5 показана зависимость Ns от содержания водорода, вносящего вклад в узкую составляющую ЯМР-спектра. [Н]„. Обнаружено, что [Н]п тесно коррелирует- с Ns. Последняя величина монотонно уменьшается с ростом [Н]„. В некоторых образцах, показанных на рис. 3.1.5, кроме Н, содержится F, однако представляется, что Ns определяется только содержанием [Н]„ и фтор не влияет на Ns. В этих образцах, содержащих Н и F, в ЯМР-спектрах преоблада'ет широкая составляющая, а содержание [ F ] п, вносящего вклад в узкую составляющую, меньше, чем [Н]„. Будем считать, что здесь [F]„h [Н]„ не отвечают тем составляющим, которые сузились в результате движения. Ширина линий узких составляющих 2-5 кГц, а широких — 15— 34 кГц.
В случае a-Si:F (без водорода) присутствует узкая составляющая
[~4% (ат.)] и предполагается, что она способствует уменьшению плотности свободных связей, поскольку Л^~6-1017 см"3, что меньше Ns для a-Si, в котором нет ни Н, ни F. Однако способность фтора уменьшать Ns выражена слабее, чем у водорода.
Разумно предположить, что рассеянный моногидрид кремния, вносящий вклад в величину [Н]№ делает аморфтгую структуру более гибкой и способствует релаксации деформаций в структуре, приводя к уменьшению Ns. Ассоциированные SiH, SiH2 и т.д., хотя и вносят вклад в широкую составляющую ЯМР на H([H]?), не влияют заметным образом на Ns. Однако ожидается, что ассоциированные SiH, SiH2 и т.д. уширяют хвост полосы, как бы выполняя функцию центров рассеяния или ловушек для носителей. Соответственно следует ожидать, что с ростом [H]? и (или) широкой составляющей F-ЯМР-спектра [F]? подвижность носителей уменьшается. Уже получен ряд экспериментальных доказательств этого предположения.
Из измерений ИК-поглощения на Si-H-колебаниях группы SiH, SiH2, (SiH2 )п и SiH3 можно охарактеризовать положением максимума поглощения. Пик вблизи 2000 см"1 приписывается SiH, вблизи 2100 см"1-SiH2 и т.д. По данным [17], интенсивность ИК-пика вблизи 2000 см-1 хорошо коррелирует с Ns для a-Si:H, получаемого разложением в ТР при различных температурах подложки. Однако для a-Si:ll, изготовленного другими способами, корреляция. уже не такая хорошая. Только диспергированный SiH способствует уменьшению Ns. Ассоциированные группы SiH, ответственные за ИК-пик поглощения при 2000 см-1, создают широкую ЯМР-линию. Различные состояния и роль водорода можно схематически представить, как показано на рис. 3.1.6.
ИК-измерения ЯМР
Пик при 2000 см"',
Узкая Уменьшение плотности свободных связей
линия
соответствующий Sill
Полное
содержание
водорода
Пик при 2100 см"1, соответствующий Sillj
и г.д.
Широкая линия
Уменьшение подвижности носителей
Рис. 3.1.6. Состояние и роль водорода
87
86
Исследования с применением ЯМР и ИК-измерений проводились также на пленках 1?-а-5\1^хСх:Н [19]. Как показано на рис. 3.1.7, содержание Н растет с увеличением х до 0,4. В большей степени это относится к ассоциированной форме, обусловливающей широкую составляющую ЯМР-линии. На рис. 3.1.8 показаны изменения ширины линий широкой и узкой составляющей с х. Ширина линий широкой составляющей растет с х, поскольку расстояние между атомами водорода в СН3-или СН2 -комплексах меньше, чем в БШз - или 8Ш2 -комплексах.
