Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Как показывают экспериментальные результаты, ИНЕС-метод является полезным средством изучения состояний в запрещенной зоне a-Si:H. Преимущества метода ИНЕС можно обрисовать следующим образом: 1) ИНЕС-метод основан на измерениях, проводимых за такой промежуток времени, в течение которого поддерживаются изотермические условия, что наиболее подходит для изучения a-5i.H, поскольку параметры этого материала очень чувствительны к температуре; 2) соотношение между ИНЕС-сигналом и g(E) является простым и анализ можно непосредственно сравнивать с обычным НСГУ-методом; 3) можно проводить точные измерения и анализ, так как система управляется программируемым калькулятором. Основываясь на описанных преимуществах, авторам удалось впервые определить энергетическую и температурную зависимости сечений захвата Электронов состояниями в запрещенной зоне a-Si:H.
Значение g(E) растет с ловышением уровня легирования атомами фосфора, причем в слаболегированных образцах скачок происходит при энергиях, меньших Ес приблизительно на 0,5 эВ, как показано на рис. 3.4.5. Согласно результатам исследований методами ФАС или ЭПР [103] или модели профиля состояний в запрещенной зоне,- предложенной Стритом на основе данных по фотолюминесценции (ФЛ) и индуцированному светом ЭПР (ИСЭПР) [104], скачок состояний в запрещенной зоне, показанный на рис. 3.4.5, может быть связан с дважды занятыми состояниями свободных связей (/-?"). Моригаки и др. в своих экспериментах по ОДМР также показали, что D" состояние расположено примерно на 0,6 эВ ниже Ес [51]. Все это сопоставимо с тем фактом, что сечение захвата электронов такого состояния существенно меньше принимаемого обычно значения [105]. Эти выводы подтверждаются и
126
0,45 0,50 ¦ 0,55
Энергетический уровень ниже Ес,зВ Рис 3 4.10. Энергетическая зависимость а„(Д) в легированном фосфором а-Я:Н (РН. /вШ. = 10"5) при различных температурах I 92|
(PH3/SiH4
тем, что сечение захвата электронов D~-состояния должно быть мало из-за кулоновского отталкивания изолированных электронов.
Как показано на рис. 3.4.8, значение v (Е) или ап (Е) экспоненциально падает с увеличением расстояния между энергетическим уровнем и Ес. Помимо энергетической зависимости v(E), ее температурная зависимость, как показано на рис. 3.4.10, также позволяет извлечь важную информацию о процессе захвата электронов состояниями в запрещенной зоне a-Si:H.
Скачок наблюдаемых состояний в запрещенной зоне лежит глубоко, на 0,35-0,55 эВ ниже уровня Ес. Судя по эмиссионным спектрам ФЛ в a-Si:H [104], при захвате электронов такими глубокими состояниями в запрещенной зоне должны преобладать беэызлучательные переходы.
При безызлучательных переходах наиболее вероятным механизмом захвата носителей глубокими состояниями в запрещенной зоне a-Si:H является многофононный процесс [106]. В этом процессе существенным является электрон-решеточное взаимодействие. Это взаимодействие сильно в системах с ионной связью и очень слабо в системах с ковалентной связью, таких как кристаллический кремний. Однако даже в последнем случае электрон-решеточная связь в аморфной фазе становится сильнее по сравнению с кристаллической фазой. Такое поведение харак-
127
теризует общую тенденцию разулорядоченных систем. В реальной системе a-Si:H зта тенденция усиливается из-за гибкости структуры благодаря неличию связей Si Н [107].
Процесс многофононной эмиссии изучался несколькими исследовательскими коллективами на разнообразных диэлектриках [108, 109]. В случае слабой связи скорость многофононных переходов теоретически описывается соотношением [108] .
W°° exp (-yEa/h-<?>), (3.4.16)
где Еа - энергетический зазор между состояниями свободных носителей и ловушечным уровнем; у - контанта; йсо - энергия фононов. Такая зависимость W известна под названием правила энергетического зазора; она прошла экспериментальную проверку в многочисленных системах, например в соединениях РЗМ [108, 109].
Показанные на рис. 3.4.8 результаты свидетельствуют о приближенном выполнении закона (3.4.16), т.е. в случае захвата электронов глубокими состояниями в запрещенной зоне a-Si:H превалирует процесс многофононной эмиссии со слабым взаимодействием. Этот вывод находит свое подтверждение в экспериментальных результатах, приведенных на рис. 3.4.10, где ап (Е) растет с повышением температуры. Теоретически следует ожидать, что температурная зависимость W будет иметь такой же характер [108]. Эти результаты впервые подтвердили правило энергетического зазора применительно к процессу многофононной эмиссии за счет слабых взаимодействий, когда оно реализуется в идентичном аморфном материале, имеющем ЛУНРЭ в запрещенной зоне.
3.4.3. Спектроскопия фазового сдвига модулированного фототока
Как упоминалось в разделе 3.4.1, Охеда и др. предложили метод спектроскопии фазового сдвига модулированного фототока [93] и сообщили экспериментальные результаты, полученные на нелегированном a-Si:H [94].
Использованные в эксперименте нелегированные иленки a-Si:H осаждались на кварцевые подложки из чистого SiH4 путем разложения последнего в ТР при давлении газа 6,65 Па, расходе 5 станд. см3/мин, ВЧ мощности 2 Вт и Гд= 300 °С. Каждый образец снабжался компланарными Al-контактами с зазором между ними 1,5 мм. Монохроматический свет с энергией фотонов 1,9 эВ равномерно освещал образец, ' проходя сквозь механический модулятор, и модулированный фототок измерялся в электрическом поле 3 • 102 В/см.
