Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
В то же время, объемная доля аморфной фазы в каждой пленке мк-Si : Н, рассчитанная из отношения оптических коэффициентов поглощения аморфной и микрокристаллической фаз (ав/ас) и интенсивности фотолюминесценции, оказывается меньше значения (1 - Хс), рассчитанного по данным рентгеноструктурного анализа. Как впервые замечено в [57] (см. рис. 4.3.5), среднее волновое число полосы поглощения, связанной с колебательной модой растяжения связи Si: Н и с переходом системы Si: Н из аморфного и микрокристаллическое состояние, резко увеличивается.
На основе рассуждений, приведенных выше, интенсивность фотолюминесценции (Ipi пленок мк-Si: Н в предположении, что система состоит из трех различных фаз: микрокристаллической (мк), аморфной фото-люминесцентной (al) и аморфной нефотолюминесцентной (а2), может быть описана количественно. Как обсуждалось выше, вклад в интенсивность фотолюминесценции дает только фаза а,. Отсюда величина 1р\ дается выражением:
Ipl * (Ха, Xa, / (Oia, Xa, + <xa , Xa , + acXc) , (4.3.2)
где
Xa, +Xa2 + Xc= 1 (4-3.3)
a ¦ и X- - коэффициенты оптического поглощения и объемная доля /-той фазы; 'индекс i принимает значения а,, а2 и с (для мк-фазы). Выражение (4.3.2) справедливо в случае, если
exp[-(aaiXat+aajXat+acXc)d]<\,
то есть толщина образца d достаточно велика. Если ota? =aflj, то из (4.3.2) и (4.3.3) следует, что
Ipl ас) Хс]. (4-3.4)
Выражение (4.3.4) можно привести к виду
Xa^XS^l-pXJIpilfi, (4-3.5)
где J3 = I - ajota, аХ°( и Ip? значения соответственно величины Xa? и 1Р1 при Хс = 0.
195
Таким образом с помощью выражений (4.3.3) — (4.3.5) можно определить объемные доли Хц^ и Ха1. Для простоты полагаем, что в пленках
: Н, полученных в высокочастотном тлеющем разряде с напряжением 200 В, Ха^ = 1. Это позволяет вычислить все известные параметры уравнения (4.3.5). Результаты расчета величин Ха^, Хйг и Хс зависимости от напряжения высокочастотного разряда показаны на рис. 4.3.13. Как видно из рисунка, величины Ха^ и Хс в области напряжений между 350 и
Рис. 4.3.13. Расчетные зависимости объемных долей фаз (а, - аморфной фотолюминесцентной; а2 - аморфной не-фотолюминесцентной; с - микрокристаллической) в" пленках а- и мк-81 : Н, полученных при разных напряжениях тлеющего разряда Ут р [ 60]
200
300 400 Ут.р,8
400 В претерпевают резкие изменения, что напоминает изменения на фазовом переходе. В то же время величина Х„г при этих напряжениях остается практически постоянной. Отсюда становится ясным, что при повышении напряжения высокочастотного тлеющего разряда в области от 350 до 400 В аморфная фотолюминесцентная фаза а! переходит в микрокристаллическую фазу с.
Со структурной точки зрения, разница между фазами а, иа2 заключается в том, что в фазе а, связанный водород находится преимуществен-
16
О 0,2 0,4 0,6 0,8 U,В
Рис.4.3.14. Вольт-амперная характеристика солнечной батареи на гетеропереходе оксидов индия-олова/и+ (мк-Si : H)/i (a-Si: Ц)/р (a-Si: Н)/нержавеющая сталь [64]. Площадь элемента 1,2 см2; мощность светового потока 100 мВт/см2 (МА-1), Voc = 0,86 В, Jsc = 1 3,9 мА/см2, коэффициент заполнения 0,655, t? = 7,8 %
но в связях Si-H, а фазе а2 — в связях Si-H2 и/или (SiH2),j. Это следует из результатов определения среднего волнового числа полосы поглощения, обусловленного связями Si: Н в пленках, полученных в тлеющем разряде с различным напряжением (табл. 4.3.2). Фаза а2 с атомами водорода, связанными преимущественно в дигидридные группы, является нефотолюминесцентной, так как колебательные моды дигидридных атомных групп связываются обычно с так называемыми "центрами-убийцами" люминесценции. Нефотолюминесцентную фазу можно рассматривать как связующее звено между микрокристаллитами и фотолюминесцентной аморфной фазой. Исследование методом ЯМР [72], выявившее, что структура a-Si: Н двухфазна, показывает, что предложенная Матсуда и др. структурная модель мк-Si: Н (см. ее описание в подразделе 4.3.5) вполне реалистична. Авторы [70] предложили аналогичную структурную модель пленок мк-Si: Н, осажденных методом химических транспортных реакций.
Следует отметить свойство мк-Si: Н, согласно которому концентрация связанного водорода в нелегированных пленках не превышает 10 %, а в легированных образцах она достаточно велика, в частности можно получить пленки мк-Si: Н, легированные Р и В с большой оптической шириной запрещенной зоны. Это позволило Учида и др. [64] путем использования мк-и+ -слоя (рис. 4.3.14) получить для солнечных элементов площадью 1,2 см2 к.п.д. 7,8 %.
Несмотря на это, современное состояние наших знаний о структурно-чувствительных свойствах мк-Si: Н далеко не полно. Для более глубокого понимания зависимости оптических и электронных свойств от структуры пленок требуются дальнейшие исследования.
4.4. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ a-Si^Ni^H
М. ХИРОСЕ (Masataka Hirose. Department of Electrical Engineering, Hiroshima University).
Аморфные трехкомпонентные сплавы SixNi_x:H получали методом тлеющего разряда из газовой смеси SiH4 + NH3 + Н2. Проведены систематические исследования зависимости электрофизических свойств a-Si^Ni-x : Н от относительного содержания в исходной газовой смеси метана и силана. Сплавы, полученные из газовой смеси состава NH3 : SiH, < 0,3 проявляют полупроводниковые свойства, а оптическая ширина запрещенной зоны с увеличением концентрации азота меняется от 1,75 до 5,5 эВ. В матрице a-SixNi_x: Н, стабильной при нагревании до 400 °С, наблюдается эффект Стаеблера-Вронских Показана возможность управления типом и концентрацией носителей заряда в a-SixNi_x : Н. Эффективность легирования фосфором несколько ниже, чем в случае легирования бором. Анализ колебательных спектров a-S ix N1 _jc: Н показывает, что в пленках, легированных бором, образуется значительное количество связей B-N, уменьшающих концентрацию связей Si-N. При легировании пленок a-SixNi_x : Н фосфором связи Р- N не образуются.
