Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства модифицированных пленок a-Si:H тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

НАЛЬГЙЕВА Мадина Алихаповна

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПЛЕНОК а-вШ.

01.04.10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник И. А. Курова

доктор физико-математических наук, профессор С. Н. Козлов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Д. Г. Яркин

Московский инженерно - физический институт.

Защита состоится «. /Л- » С-^Т^^Л- 2006 года в

часов на заседании

Специализированного Совета Д 501.001.70 в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП, г. Москва, Воробьевы Горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, физический факультет, криогенный корпус, ауд. 2-053-.

Автореферат разослан у> 006 года.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Ученый секретарь Специализированного О в МГУ им. М. В. Лом! доктор физико-маге! профессор

Г. С. Плотников

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Одним из самых интересных с научной точки зрения и перспективных для практического применения аморфных материалов является аморфный гидрированный кремний. Аморфный гидрированный кремний отличается высокой фотопроводимостью, большим коэффициентом поглощения и возможностью эффективного легирования, что определяет использование широкого круга методов для его научного исследования, а также его практическое применение. Большой практический интерес к а-Зг[1 связан также с дешевизной и высокой технологичностью этого материала, обусловленных, в частности, возможностью получения пленок различных толщин на больших площадях при невысоких температурах.

На основе а-БгН созданы: солнечные элементы с кп.д до 13%; фотоприемники, фотоэлементы, видиконы; полевые транзисторы для адресации жидкокристаллических дисплеев; элементы памяти, запоминающие устройства; элементы интегральных схем; приборы для электрографии и т.д.

Для изготовления полупроводниковых приборов необходимы материалы с различными свойствами. Особенностью пленок а-в^Н является возможность модифицировать их свойства внешними воздействиями, в частности, термическим отжигом. Установление природы этих модификаций является важным научным направлением, позволяющим понять физику этого материала и новые возможности его практического применения.

Изменение свойств пленок а-&кН под влиянием термического отжига исследовалось во многих работах. Наиболее исследованы нелегированные пленки. Было установлено, что при температурах отжига Та меньших температуры их получения 7\ изменения параметров нелегированных пленок незначительны и связаны с несовершенством изготовленных пленок, например, с неоднородностью распределения водорода.

При температурах отжига Та> Т, (Г, — температура, соответствующая максимальной скорости выхода водорода из пленок) происходят существенные изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок. Эти изменения обусловлены структурной перестройкой водородных связей и интенсивным образованием оборванных связей кремния (ОС). Имеются литературные данные и о таких структурных перестройках, как образование в а-БШ микрокристаллической фазы или цепочечных структур кремния - силицина.

В легированных бором отожженных пленках а-ЭШ существенные изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств наблюдались и при температурах отжига ниже 2"3. Например, увеличивалась темновая проводимость и фотопроводимость, что было обусловлено увеличением концентрации электрически активных атомов примеси бора.

При отжиге этих пленок при Та > Тг в результате эффузии водорода происходило интенсивное образование оборванных связей кремния на фоне которого, более слабый процесс увеличения концентрации электрически активных атомов примеси не проявлялся.

Надо отметить, что исследования проводились в основном для пленок, отожженных в вакууме и только до температур отжига ниже 520°С. После отжига в вакууме при такой высокой температуре, из-за интенсивной эффузии водорода, наблюдались механические повреждения пленок. Это мешало проведению исследований их электрических, фотоэлектрических и оптических свойств.

В настоящей работе проводился отжиг пленок a-Si:H при температурах выше 520°С. Отжиг проводился в потоке водорода, что уменьшало скорость эффузии водорода и существенно предотвращало механические повреждения пленок.

Целью настоящей работы было установление изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H после высокотемпературного отжига их в потоке водорода и определение влияния примеси бора на эти изменения.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Обнаружено, что в отожженных, легированных бором пленках a-Si:H (р-типа) в области низких температур (Т< 150К) наблюдается прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (П*,!)" ).

2. Обнаружено, что в отожженных, легированных пленках a-Si:H (р-типа), с большей концентрацией бора, в области промежуточных температур наблюдается прыжковая проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.

3. Определен размер области неэкспоненциального спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных пленках a-Si:H(B) р-типа.

4. Установлено уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Eg и увеличение длинноволнового показателя преломления па нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H в результате высокотемпературного отжига их в потоке водорода. Показано, что эти изменения, связанные с уменьшением концентрации водорода, не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в пленках.

Практическая ценность работы. Данные, полученные в работе об изменении электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок a-Si:H в результате

высокотемпературного отжига могут быть использованы при создании на основе a-Si:H материалов с заданными параметрами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружено, что темновая проводимость отожженных сильно легированных бором пленок a-Si:H (С, = 4-10"cmj) имеет неактивационную температурную зависимость и определяется суммой зонной проводимости, прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (D* J)") и прыжковой £1 -проводимости по состояниям хвоста валентной зоны. Возникновение прыжковой £, -проводимости связано с увеличением концентрации электрически активных атомов бора и смещением уровня Ферми к потолку валентной зоны.

2. Определен размер области неэкспоненциального спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных сильно легированных бором пленках a-Si:H, как разность энергий активации зонной и прыжковой £1 - проводимости.

3. Установлено, что в результате высокотемпературного отжига в потоке водорода нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H происходит уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Eg и увеличение длинноволнового показателя преломления и0.

Показано, что эти изменения связаны с малым содержанием водорода в отожженных пленках и не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в них.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: IV Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С-Петербург, 2004 г.), третья Российская школа ученых и молодых специалистов "Кремний. Школа-2005" (Москва, 2005г.), научная конференция "Ломоносовские чтения" (Москва, 2005г.), VII Российская конференция "Полупроводники 2005" (Звенигород, 2005г.), научная сессия "МИФИ - 2006" (Москва, 200бг).

Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и публикаций автора. Объем работы составляет 117 страниц, включая 35 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 108 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается обоснование актуальности и практической значимости темы диссертации, сформулированы цель работы, ее научная новизна и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор основных работ, посвященных исследованию влияния термического отжига на электрические, фотоэлектрические и оптические свойства нелегированных и легированных пленок a-Si:FI.

В разделе 1.1 приводятся основные результаты исследований влияния термического отжига в вакууме на электрические свойства нелегированных и легированных пленок. Показано, что при отжиге этих пленок при температурах Та ниже и выше температур, соответствующих максимальным скоростям выхода водорода из пленок их электрические свойства изменяются по-разному. При Та < 7\ наблюдается незначительное увеличение темновой проводимости ег,, что в нелегированных пленках объясняется уменьшением неоднородности образца, а в легированных бором и фосфором пленках - увеличением после отжига эффективности легирования, т.е. увеличения концентрации электрически активных атомов примеси бора. При Тс> Та ив нелегированных, и в легированных пленках a-Si:H наблюдается резкое уменьшение темновой проводимости, очевидно вследствие эффузии водорода из пленок, которая приводит к увеличению концентрации оборванных связей кремния, создающих дополнительные локальные электронные состояния в щели подвижности.

В аморфных пленках с высокой плотностью оборванных связей 10" эВ'1 -см') при понижении температуры, когда зонная проводимость уменьшается, проявляется прыжковая проводимость, определяемая туннельными переходами носителей с участием фононов из занятых состояний в свободные состояния оборванных связей. Как видно из данного обзора литературы, двумерная прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка наблюдалась в тонких напыленных пленках a-Si и a-Si:H; в тонкопленочных полевых транзисторах - в аккумуляционном слое на границе a-Si:H с диэлектрическим слоем a-SiNx:H, играющим роль затвора; в отожженных в вакууме слоистых нелегированных пленках a-Si:H, полученных путем циклического плазмохимического осаждения с промежуточной термической обработкой каждого слоя в водородной плазме. Высокотемпературный отжиг слоистых пленок a-Si:II приводил к тому, что концентрация оборванных связей (ОС) кремния на границах тонких слоев была намного больше, чем в области толстых слоев, что обуславливало двумерный характер прыжковой проводимости вдоль тонких слоев.

В легированных пленках двумерная прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка была обнаружена в области низких температур в отожженных при 7^=560°С пленках a-Si:H, легированных фосфором. Эта проводимость осуществлялась по ОС кремния, вблизи уровня Ферми. Кроме работ, в которых ст, ехр(-(Г,/Г)*) в данном разделе приводится работа, авторы которой установили экспоненциальную температурную зависимость прыжковой проводимости <т4 осехр(-ДЕ/кТ), т.е. туннелирование происходит на ближайшие атомы.

В слабо компенсированных кристаллических полупроводниках, в промежуточном между зонной и прыжковой проводимостями интервале температур, был обнаружен еще один активационный механизм проводимости - -проводимость. Большинство авторов считает, что £г-проводимость связана с передвижением электронов по однократно заполненным нейтральным донорам (по состояниям О" -центров).

Из представленного в этом разделе литературного обзора сделан вывод о том, что достаточно хорошо исследовано изменение электрических свойств пленок a-Si:H в результате отжига их в вакууме при Та < 560°С, влияние отжига при температурах выше 560°С на электрические свойства пленок пракпгически не изучено. Кроме того, мало подобных исследований легированных пленок a-Si:H.

В разделе 1.2 представлен литературный обзор основных работ, посвященных исследованиям температурных и люксамперных зависимостей фотопроводимости в нелегированных и легированных бором пленках a-Si:H. Из этого обзора видно, что зависимости фотопроводимости от температуры и интенсивности освещения имеет сложный характер, что связано с различными в разных областях температур механизмами рекомбинаций. Для выяснения этих механизмов рекомбинации в пленках a-Si:íí п-типа разными авторами приводятся различные схемы возможных процессов захвата и рекомбинации носителей заряда. Одни авторы рассматривают переходы между хвостами зоны проводимости и валентной зоны; другие - прямые рекомбинации свободных носителей на ¿»-центрах, а хвосты зон учитывают как резервуары неравновесных носителей, из которых они поставляются в зоны путем тепловой генерации. Балагуров и др. в своей работе привели схему электронных переходов в пленках a-Si:II n-типа, на которой показаны следующие возможные процессы захвата и рекомбинации неравновесных носителей: прямая рекомбинация электронов с дырками, предварительно захваченными на D* -центры; захват свободных электронов на О0-центры, а затем туннельная рекомбинация их с дырками, захваченными на D * -центры; захват свободных электронов на уровни хвоста зоны

проводимости, туннельный переход их на £>° -центр, а затем туннельная рекомбинация их с дырками, захваченными на О*-центры. При достаточно высоких температурах возможны обратные термические выбросы электронов в зону проводимости с уровней хвоста ис й'-центра. В данной работе состояния хвоста валентной зоны не учитываются, так как полагается, что их концентрация мала по сравнению с концентрацией оборванных связей.

Отмечено, что температурная зависимость фотопроводимости пленок а-БШ р-типа и механизмы рекомбинации в них исследованы значительно меньше.

Систематизируя результаты рассмотренных работ, выявлено, что в области низких температур (Т < 50 К) фотопроводимость слабо зависит от температуры, что объясняется тем, что фотопроводимость в этой области температур определяется не временем жизни, а временем термализации неравновесных носителей, возбужденных в делокализованные состояния. При температурах 150К>Г>60К, где фотопроводимость экспоненциально растет с температурой, наиболее распространены две модели рекомбинации: 1) туннельная рекомбинация электронов (дырок), локализованных на состояниях хвоста зоны проводимости (валентной зоны) с дырками (электронами), предварительно захваченными на О" -центры; 2) туннельная рекомбинация электронов, локализованных на состоящих хвоста зоны проводимости, с дырками, локализованными на состояниях хвоста валентной зоны. В области высоких температур (Т> 200 К) предполагается: 1) прямая рекомбинация электронов из зоны проводимости (дырок из валентной зоны) с дырками (электронами), локализованными на Л-центрах; или 2) туннельная рекомбинация электронов (дырок), локализованных на состояниях хвоста зоны проводимости (валентной зоны) с дырками (электронами), предварительно захваченными на О0 -центры.

Рассматриваются результаты исследования люксамперных зависимостей а^ ос I', где I — интенсивность возбуждающего света. Показано, что у имеет сложную зависимость от температуры, интерпретация которой затруднена из-за отсутствия ясного понимания механизмов рекомбинации.

Из данного обзора литературы делается вывод о том, что до сих пор остается много Открытых вопросов, связанных с пониманием механизмов рекомбинации и температурной зависимости фотопроводимости, особенно для пленок а-БгН р-типа.

Раздел 1.3 посвящен обзору литературных данных о зависимости оптических параметров и оптической ширины запрещенной зоны от условий изготовления пленок, концентрации водорода и температуры отжига. Отмечено, что спектральные зависимости оптических параметров — коэффициента поглощения а(И у) и показателя преломления V), различны для разных пленок и зависят от условий изготовления этих пленок.

С увеличением температуры получения пленок a(hv) увеличивается и край поглощения сдвигается в область более длинных волн, n(hv) тоже повышается и при Та > 300°С становится выше, чем для кристаллического кремния. В области более длинных волн показатель преломления стремится к постоянной величине . Показано, что величина и0 в основном определяется концентрацией водорода С„ в пленке: с увеличением Сн значение л„ уменьшается (т.к. п. коррелирует с С„, то л0 является показателем концентрации водорода в пленке).

Также показано, что изменение оптической ширины запрещенной зоны пленок a-Si:H обуславливается в основном, тоже изменением в результате отжига концентрации водорода в них (чем меньше величина Ся, тем меньше значение /?а ).

Далее рассматриваются результаты работы [1] согласно которым оптическая ширина запрещенной зоны является функцией не только концентрации водорода С„, но и функцией беспорядка:

E,=VlC.,6r) + s.(z), (1)

где SV - разница между энергией более сильной связи Si-H и энергией связи Si-Si, £г(х) -энергия, обусловленная наличием флуктуационного потенциала, а х ~ ширина пространственного распределения этих флуктуаций, определяющая степень структурного и теплового беспорядка в пленках a-Si:II (eg(x) уменьшается с увеличением х)- Эти два конкурирующих фактора: концентрация водорода и степень беспорядка в пленке определяют изменение оптической ширины запрещенной зоны в результате термического отжига. С одной стороны, потеря водорода приводит к понижению оптической ширины запрещенной зоны Е при повышении температуры отжига Та, с другой стороны, релаксация структурной сетки понижает хвосты поглощения, которые обусловлены дефектами и таким образом, увеличивает Eg при условии, что хвосты начинаются достаточно близко к Eg.

Обзор работ, посвященных исследованию влияния термического отжига на оптическую ширину запрещенной зоны показал, что зависимость оптической ширины запрещенной зоны от температуры отжига можно разбить на две области: до Та ~ 300 400°С и выше Т„ ~ 400°С. В первой области температур изменение оптической ширины запрещенной зоны Et с ростом температуры отжига зависит от температуры получения пленок Тг и скорости осаждения исследуемых пленок: при больших 'í\ (-190, 270°С) и малых скоростях роста (20 А/мин) величина Eg практически не меняется с ростом Та, а при малых Т3 (~25 -s- 150°С)

и больших скоростях роста (100 Л/мин) Ее увеличивается с увеличением Та. Такой характер изменения оптической ширины запрещенной зоны с температурой отжига объясняется отжигом собственных дефектов матрицы кремния и, соответственно, изменением деформации матрицы. При Та > 400°С происходит сильная эффузия водорода из пленок, что приводит к уменьшению концентрации водорода и, следовательно, к уменьшению оптической ширины запрещенной зоны.

Из данного обзора делается вывод о том, что мало работ исследующих влияние термического отжига на оптические свойства пленок а-БШ (особенно легированных), большая часть работ посвящена исследованию последствий эффузии водорода из них. Поэтому имеющиеся в литературе данные недостаточны для построения однозначной картины изменения оптических свойств пленок а-БЖ в результате высокотемпературного отжига.

Во второй главе описаны условия приготовления исследованных образцов, методики измерений и обработки экспериментальных данных, использованные в данной работе, а также методика определения концентрации водорода в пленках.

В разделе 2.1 описаны условия приготовления исследованных образцов. Пелегированные и легированные бором пленки а-БШ были выращены в ГИРЕДМЕТе, методом разложения моносилана Й^Ц в плазме высокочастотного тлеющего разряда. Толщины пленок составляли 1мкм. Параметры всех исследованных пленок приведены в таблице 1.

Таблица 1

Пленки 1 2 3 4 5 6 7 8 9

- 600 650 - 560 650 - 600 650

г ,°с 250 250 250 300 300 300 250 250 250

С,,смл - - - 6-10" 6-Ю" 6-10" 4-Ю" 4-Ю" 4-10"

тип проводимости п п п п п 11 Р Р Р

В разделе 2.2 описан метод ИК-спектроскопии, определяющий концентрацию водорода в исследованных пленках, который основан на селективном поглощении энергии ИК-излучения молекулярными связями кремния и водорода при совпадении частоты излучения с различными колебательными модами этой связи.

В разделе 2.3 даны описания азотного криостата, в котором исследовались электрические и фотоэлектрические свойства пленок а-31:Н и инфракрасного двулучевого спектрофотометра иУ 5270 фирмы «ВЕСКМА№>,. на котором измерялись спектры

оптического пропускания всех исследованных пленок. В данном разделе также представлены использованные методы измерений электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок a-Si :Н.

Методика вычисления электрических и фотоэлектрических характеристик пленок а-Si:H описана в разделе 2.4. Определено, что по температурной зависимости темновой проводимости пленок можно судить о механизме проводимости в данной области температур. Показано, что зонная проводимость имеет активационную зависимость от температуры, температурная зависимость прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка, описывается формулой Мотта, наблюдаемая в кристаллических полупроводниках прыжковая ^-проводимость тоже имеет активационный характер. Из параметров зонной темновой проводимости oé(T) определяется положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны или дна зоны проводимости (при данной температуре), а из выражения для '¡\ (параметр прыжковой проводимости) оценивается плотность локализованных состояний р„ вблизи уровня Ферми.

Показано, что при наличии нескольких механизмов проводимости анализ температурной зависимости проводимости удобно проводить методом Забродского, в котором экспериментально измеренные данные о\Д7') используются для построения зависимостей

luvv от 1пГ j^w = 12]- В области температур, где преобладает один

экспоненциальный механизм проводимости, эта зависимость линейна. В области промежуточных температур, при переходе от одного механизма к другому, с увеличением температуры происходит нелинейное увеличение зависимости lnw от 1п7'. Например, для зонной проводимости сг, зависимость lnw от 1п Г линейна и уменьшается с температурой:

\rw = Ъ-\аТ , где (2)

Для прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка ст, зависимость \nw от ln Т имеет вид

lnw = а-л1пГ, где а = lnx + jrlnr,. (3)

А для г,-проводимости зависимость lnw от la Т также линейна и уменьшается с температурой:

lnw = е- 1пГ„,, гдес = 1п —— ].., ,(4)

Используя соотношения (2 - 4) для линейных участков зависимости lnw от ln Г, можно определить соответствующие параметры зонной проводимости, прыжковой проводимости и £1 -проводимости.

В разделе 2.5. приводится методика определения оптических параметров и оптической ширины запрещенной зоны пленок a-Si:H.

Показана оптическая схема исследованных структур: тонкая пленка a-Si:II на толстой, прозрачной подложке, из спектров пропускания Т(Х) которых, по методике [3], определялись спектральные зависимости оптических параметров - коэффициента преломления n(hv) и коэффициента поглощенияо(Лу). Спектральная зависимость rt(hv) определялась в области прозрачности и слабого поглощения, по величинам пропускания в максимумах и минимумах спектра по формуле:

л = + где jv =2и.Г- (5)

Г_ -Т^ 2

Спектральная зависимость коэффициента поглощения a(hv) определялась по величине пропускания в области сильного поглощения, по формуле:

16п'-п, J'

Оптическая ширина запрещенной зоны определялась по методу Тауца из спектральной зависимости коэффициента поглощения линейной экстраполяцией зависимости a(hv)':' от hv к значению а = 0.

В данном разделе также приводятся рассуждения о влиянии неоднородности в тонких пленках (вариации hd и Ал) на спектр оптического пропускания, что приводит к ошибкам при определении оптических параметров пленок. Показано, что по поведению максимумов и минимумов спектра пропускания можно судить об однородности исследуемой пленки [4].

В третьей главе представлены результаты исследования влияния высокотемпературного отжига в потоке водорода на электрические свойства нелегированных и легированных бором пленок a-S¡:H, с концентрациями бора 6■ Ю'^м^и 4-10" cmj.

Показано, что температурная зависимость темновой проводимости &й(Т) всех исследованных пленок, после отжига их в потоке водорода при Та = 560 -г- 650°С из активационной становится неактивационной в исследованном интервале температур (от 80К до 480К), что может свидетельствовать о наличии нескольких механизмов проводимости.

a(hv) ----ln

d

Обработка измеренных зависимостей <т,(Т) методом Забродского показала, что в нелегированных и слабо легированных бором пленках a-Si:II (n-типа) температурная зависимость темновой проводимости определяется суммой зонной проводимости и прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка. Параметры этих проводимостей определялись из зависимости стДГ) и lgu< от \<¿T. Достаточно протяженный линейный участок в области низких температур (Г <260 К.) давал значения параметров Т0 и х, характерные для мотовской прыжковой проводимости с перемешюй длиной прыжка. При повышении температуры (Г >260 К) величина lgw сначала возрастала, а затем (при Т > 400 К) снова начинала уменьшаться, что указывало на смену механизма проводимости. Так как линейная аппроксимация высокотемпературного участка кривой lgw от Ig Т давала грубую оценку значения параметров проводимости (из-за малости участка линейного уменьшения Ig и> с температурой), то параметры этой проводимости определялись из зависимостей сг,(7). Для этого вычислялась разность сг,(Г) = ('/') измеренной

темновой проводимости пленки и проэкстраполированной в область высоких температур прыжковой проводимости crt с параметрами Г, ил, определенными выше. Температурная зависимость проводимости сг, имела активационный характер, а определенные из этой зависимости значения энергии активации ZT, и предэкспоненциального множителя о„ соответствовали зонному механизму проводимости (таблица 2).

В отожженных сильно легированных бором пленках a-Si.H (р-типа) наряду с зонной проводимостью и прыжковой проводимостью с переменной длиной прыжка, обнаружена прыжковая -проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.

Наличие третьего механизма проводимости в отожженных пленках a-Si:H (р-типа) видно на рисунке 1, где приведена зависимость lgw от lg Т и на рисунке 2, где температурная зависимость темновой проводимости уже не определяется суммой только двух механизмов проводимости. Из рисунка 1 видно, что наряду с двумя линейными участками (низкотемпературный и высокотемпературный), на которых функция lgw убывает с температурой, в области температур, близких к 240 К, наблюдается особенность, указывающая на вклад еще одного механизма проводимости. Параметры проводимости пленок в области низких температур (Т < 160 К), определенные как из кривых зависимости lgw от Ig7', так и непосредственно по кривым <т,(г) методом подбора параметров были характерны для прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в аморфных полупроводниках (таб. 2). Затем, вычитая, в области Т > 160 К, из экспериментально

измеренных величин а, соответствующие значения ак (кривая а), получили компоненту проводимости, температурная зависимость которой не описывалась одной экспонентой.

lit

Рис. 1. Температурная зависимость легированной бором пленки а-31:11 после высокотемпературного отжига, С, =4-10'*см' (пленка9).

о-значения = определенные из

экспериментальных величин cr„ (/').

2,0 2,1 22 2.3 2,4 25 2,6 2.7

Ь т

В области температур 210 К — 310 К, вычисленные значения проводимости сг, ложились на прямую б, и гг1 (7') имела акгивационный характер. Экстраполяция этой зависимости в область высоких температур (Г >320К) показала, что экспериментально измеренные значения темновой проводимости сг, заметно превышают сг, (г) (рис. 2). Вычитая из сг, при Т> 320 К соответствующие вклады <тк (кривая а) и а, (кривая б), получили вклад в проводимость, температурная зависимость (кривая в) которой описывается экспоненциальным законом с параметрами, характерными для зонной проводимости в легированных пленках а-БМГ

Рис. 2. Температурная зависимость

темновой проводимости легированной

бором пленки а-Бт-Н, С, = 4-10"см) (пленка 9).

ю'.Т, К"'

Показано, что в пленках а-БШ как п- так и р-типа положение уровня Ферми в запрещенной зоне, определенное по параметрам зонной проводимости (при Т= 200К), совпадает с энергетической областью уровней оборванных связей кремния и наблюдаемая при низких температурах прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка осуществляется по оборванным связям кремния.

Установлено, что положение уровня Ферми в запрещенной зоне в пленках а-вгН п-типа после высокотемпературного отжига практически не изменилось, что определяется тем, что энергетические уровни оборванных связей кремния, образующихся при отжиге в результате эффузии водорода, находятся в области, близкой к положению уровня Ферми в неотожженной пленке (таб. 2). В пленках же р-типа уровень Ферми после отжига сместился к потолку валентной зоны на ~0.14эВ, хотя образование оборванных связей в глубине запрещенной зоны также должно было бы приводить к сдвигу уровня Ферми к середине запрещенной зоны. Обнаруженное смещение уровня Ферми к валентной зоне в легированных пленках р-типа при высокотемпературном отжиге указывает на увеличение концентрации электрически активных атомов бора. Наиболее очевидная причина увеличения эффективности легирования пленок бором связывается с эффузией водорода, приводящей к уменьшению концентрации пассивированных водородом электрически неактивных атомов бора.

Таблица 2

Пленки ег.^Ом'см"1 Е„ эВ Е, .СГ-200К) сг„ .Ом'-см"1 Е, ,эВ сг„ ,0м"1 см"1 т„ к рг ,см"ЛэБ"'

1 5-Ю' 0.74 Ес-0.67 - - - - -

3 9.8102 0.68 Ес -0 65 - - 7.4-10' 1.08-10" 1.51-10"

4 4-10' 0.73 Ес-0.69 - - - - -

6 3.4-102 0.67 £„-0.66 - - 1.5-10' 1.72 10" 9.5-101*

7 6103 0.75 £„40.69 - - - - -

9 1.7-102 0.55 Е*+0.55 0015 0.26 5-103 9.9-107 1.65-10"

Определено энергетическое положение состояний хвоста валентной зоны, по которым осуществляется ^-проводимость, как разность энергии активации зонной проводимости и прыжковой с, -проводимости: Д, = Е, - Е, = 0.29эВ. Она характеризует протяженность области локализованных состояний с неэкспоненциальным спадом плотности состояний.

Отмечено, что чаще всего ег -проводимость связывается с переносом по верхней зоне Хаббарда (по состояниям £>~-центров), а в рассматриваемом случае возникновение ег-проводимости, по-видимому, связано с возрастанием уровня легирования при высокотемпературном отжиге, приводящем, с одной стороны, к смещению уровня Ферми к потолку валентной зоны, а с другой - к возрастанию плотности состояний в хвосте валентной зоны. В конце главы сформулированы основные выводы.

В четвертой главе представлены результаты измерений температурных зависимостей и люксамперных характеристик стационарной фотопроводимости нелегированных и легированных бором пленок а-БкН, подвергнутых высокотемпературному отжигу в потоке водорода. Измерения фотопроводимости а^ проводились в интервале температур 83 - 430 К при интенсивности освещения 60 мВт/см2.

Установлено, что в неотожженных и отожженных пленках а-БгИ п- и р-типа в области температур от 83 К до 360 К наблюдается фотопроводимость с неактивационной температурной зависимостью. Показано, что температурные зависимости фотопроводимости для неотожженных пленок как п- так и р-типа имеют характерный для этих пленок вид, а показатель степени люксамперных характеристик во всей исследованной области температур слабо зависит от температуры.

Получено, что после отжига пленок при Т„ - 560 + 650°С величины фотопроводимости во всех исследованных пленках существенно уменьшились. В области высоких температур (Т> 125 К) температурная зависимость фотопроводимости отожженных пленок как п- так и р-типа возрастает с увеличением температуры, а показатель степени люксамперных характеристик у изменяется слабо и лежит в интервале величин у — 0.8-;- 0.86 . На основе измеренных величин фотопроводимости и у предположено, что в этой области температур фотопроводимость зонная, а рекомбинация свободных носителей осуществляется путем захвата неравновесных носителей из зоны на оборванные связи кремния.

Рис.3 Температурные зависимости фотопроводимости для пленок а-БкН п-типа, при интенсивности освещения 60 мВт/см2 (пленки 4 — 6).

'3

2Э«5в 78 9 10 1112 10*'Г. К"'

В области низких температур (Г< 125 К) фотопроводимость отожженных пленок п- и р-типа слабо зависит от температуры, стремясь к насыщению, а значения показателя люксамперных характеристик у увеличиваются с уменьшением температуры, приближаясь к у ж 1. Предположено, что такие изменения сг^ и у можно объяснить тем, что при уменьшении температуры ниже 125 К в отожженных пленках становится все более заметным вклад прыжковой фотопроводимости, которая практически не изменяется с понижением температуры и характеризуется у а 1. При прыжковой фотопроводимости перенос заряда в направлении электрического поля осуществляется неравновесными носителями во время термализации в хвостах зон до момента их рекомбинации на оборванных центрах. Практически постоянная при уменьшении температуры величина ег^ обусловлена туннельным механизмом рекомбинации и постоянной концентрацией рекомбинациоиных центров. В конце главы приведены основные выводы.

В пятой главе исследуется влияние высокотемпературного отжига па оптические параметры и оптическую ширину запрещенной зоны нелегироваш!ых и легированных бором пленок a-Si:H. Для этого были измерены спектры пропускания Т(Л) неотожженных пленок и пленок отожженных при температурах 560°С, 600°С и 650°С..

Показано, что после высокотемпературного отжига спектры пропускания Т(Л) исследованных структур (тонкая пленка a-Si:H на толстой, прозрачной подложке) изменились. В исследованном интервале длин волн в спектре отожженной пленки нет области прозрачности и наблюдается сдвиг порога пропускания в область длинных волн. Это объясняется уменьшением ширины запрещенной зоны и увеличением концентрации оборванных связей кремния после высокотемпературного отжига.

По виду измеренных спектров пропускания был сделан вывод об однородности всех исследуемых пленок, что позволило использовать формулы 5 и 6 для определения спектральных зависимостей коэффициентов преломления n{h v) и коэффициентов поглощения a(Av). Далее, путем экстраполяции найденных зависимостей n(h v) в длинноволновую область определялись величины иа (таб. 3). Установлено, что величины и0 в неотожженных пленках коррелируют с концентрацией водорода в них: значения л„ уменьшаются с увеличением С„. После высокотемпературного отжига величины л0 увеличились и лежат в пределах 3.67-3.69. Таким образом, разница в значениях л„ для отожженных пленок меньше 1%, что лежало в пределах точности измерений, составляющей - 1%.

Далее, из измеренных спектральных зависимостей коэффициентов поглощения а(И V)

по методу Тауца определены величины ширины запрещенных зон Ег всех исследованных

пленок (таб. 3). Получено, что в неотожженных пленках Ек коррелируют со значениями

концентрации водорода С„ в пленках: значения Ег увеличиваются с увеличением С„.

После высокотемпературного отжига значения величины уменьшились и лежат в

пределах 1.52 эВ- 1.57 эВ, что может указывать на то, что в пленках значительно уменьшилась концентрация водорода.

Таблица 3.

Пленка 1 2 4 5 6 7 8 9

С„,ат.% 9 <1 10 < I <1 13 < 1 <1

3.52 3.69 3.44 3.67 3.68 3.39 3.67 3.69

Е, ,эВ 1.75 1.53 1.79 1.54 1.52 1.82 1.57 1.56

Предположено, что оптическая ширина запрещенной зоны Е? в отожженных пленках с наибольшей концентрацией бора (пленки 8 и 9) больше, чем в отожженной нелегированной 2 и слабо легированных бором (5, б) пленках так как в отожженных при высокой температуре пленках с большой концентрацией бора и малой концентрацией водорода увеличивается беспорядок, обусловленный существенным ростом концентрации электрически активных атомов бора Однако разница в Ег для указанных выше пленок составляла величину порядка 3%, что лежало в пределах точности измерений величин Ег. Поэтому следует считать, что оптические параметры в отожженных пленках не зависят от концентрации примеси и начальной концентрации водорода.

ВЫВОДЫ.

Исследованы электрические, фотоэлектрические и оптические свойства нелегированных и легированных бором пленок а-БШ, модифицированных методом высокотемпературного отжига в потоке водорода.

1. Установлено, что темповые проводимости отожженных нелегированных и легированных бором пленок а-БШ п- и р-типа, в исследованной области температур (80 К -480 К), имеют неактивационный характер, что обусловлено наличием в этой области температур нескольких механизмов транспорта носителей заряда. Темновые проводимости нелегированных и слабо легированных бором пленок (п-типа) определяются суммой зонной проводимости и прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (£>~,£>°). В сильно легированных пленках (р-типа) кроме зонной проводимости и прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по

состояниям оборванных связей кремния (D*yD") обнаружена прыжковая с, -проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.

2. Установлено, что наличие прыжковой е, -проводимости связано со смещением уровня Ферми к потолку валентной зоны, что возможно обусловлено увеличением концентрации электрически активных атомов бора.

3. Определен размер области неэкспоненциалъного спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных сильно легированных бором пленках a-Si:Ií, как разность энергий активации зонной проводимости и прыжковой ег - проводимости.

4. Установлено, что в отожженных пленках a-Si:H п- и р-типа в области температур от

87К до 360К наблюдается слабая фотопроводимость « 4. Фотопроводимость в

области высоких температур (7">150К) увеличивается с увеличением температуры, а показатель степени люксамперных характеристик у изменяется слабо и лежит в интервале величин у = 0.8 -г 0.86. Предположено, что в этой области температур фотопроводимость зонная, а рекомбинация свободных носителей осуществляется путем захвата их из зоны на оборванные связи кремния. В области низких температур (Г<125К) фотопроводимость отожженных пленок п- и р-типа слабо уменьшается с температурой, стремясь к насыщению, а значения показателя люксамперных характеристик у увеличиваются, приближаясь к у Предположено, что эти температурные изменения а^ и у обусловлены проявлением в этой

области температур прыжковой фотопроводимости неравновесных носителей по состояниям хвостов зон и увеличением ее вклада с уменьшением температуры.

5. Установлено, что в результате высокотемпературного отжига нелегированных и легированных бором пленок a-Si:Ii происходит уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Et и увеличение длинноволнового показателя преломления л,. Эти изменения связаны с уменьшением концентрации водорода в пленках и не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в них

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. //Электрические и фотоэлектрические свойства пленок а-Бг.Н, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде.// Сборник трудов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, Издательство СПбГПУ, 2004, стр.61.

ПУБЛИКАЦИИ.

2. Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. //Влияние высокотемпературного отжига в потоке водорода на свойства пленок a-Si:H.// Тезисы лекций и докладов третьей Российской школы ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремния и приборных структур на его основе «Кремний. Школа-2005», 2005, стр. 114.

3. Курова И. А., Нальгиева М А., Ормонт Н. Н. //Электрические и фотоэлектрические свойства пленок a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде.// Вестник МГУ, серия 3, Физика. Астрономия, 2005, №4, стр. 54-57.

4. Нальгиева М. А, Курова И. А., Ормонт Н. Н. //Электрические свойства легированных бором пленок a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в потоке водорода.// Сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения», Москва, Физический факультет МГУ, 2005, стр. 52.

5. Звягин И. П., Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. //Прыжковая S2 -проводимость в аморфном гидрированном кремнии, легированном бором.// Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники 2005", Звенигород, 2005, стр.306.

6. Звягин И. П., Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. //Прыжковая е2 -проводимость легированных бором пленок a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде.// ФТП, 2006, т. 40, вып. 1, стр. 112-116.

7. Курова И. А., Нальгиева М. А. //Влияние высокотемпературного отжига в водороде на оптические свойства легированных бором пленок a-Si:H.// Сборник научных трудов научной сессии "МИФИ - 2006", 2006, т.4, стр. 188-190.

8. Курова И. А., Нальгиева М. А. //Влияние высокотемпературного отжига в водороде на оптические свойства легированных бором пленок а-Si.H.// Вестник МГУ, серия 3, Физика. Астрономия, 2006, №3.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Yamaguchi М., Morigaki К. //Effect of hydrogen dilution on the optical properties of hydrogenated amorphous silicon prepared by plasma deposition.// Phil. Mag. B, 1999, v. 79, № 3, p. 387 - 407.

2. Zabrodski G. //Phil. Mag. B, 2001, v. 81, p. 1153.

3. Swanepoel R. //Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon.// J. Phys. E : Instrum., 1983, v. 16, № 12, p. 1214 - 1222.

Swanepoel R. //Determination of surface roughness and optical constants of inhomogeneous amorphous silicon films.// J. Phys. E: Sci. Instrum. Vd, 1984, v. 17, p. 896

Подписано в печать 07.09.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж ЮОэкз. Заказ № 529 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

Введение.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Влияние термического отжига на электрические свойства нелегированных и легированных пленок a-Si:H.

1.2 Фотопроводимость и механизмы рекомбинации в пленках a-Si:H.

1.3 Изменение оптической ширины запрещенной зоны и оптических параметров пленок a-Si:H в результате их термического отжига.

Глава 2. ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ, МЕТОДИКИ

ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1 Исследованные образцы.

2.2 Методика определения концентрации водорода в пленках a-Si:H.

2.3 Измерительная установка, методы измерений.

2.4 Измерение электрических и фотоэлектрических характеристик пленок a-Si:H.

2.5 Определение оптических параметров и оптической ширины запрещенной зоны пленок a-Si:H.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ ПЛЕНОК a-Si:H.

3.1 Результаты эксперимента и их обсуждение.

3.2 Основные результаты главы 3.

Глава 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК a-Si:H, ПОДВЕРГНУТЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ

ОТЖИГУ.

4.1 Результаты эксперимента и их обсуждение.

4.2 Основные результаты главы 4.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ ПЛЕНОК a-Si:H.

5.1 Результаты эксперимента и их обсуждение.

5.2 Основные результаты главы 5.

ВЫВОДЫ.

Одним из самых интересных с научной точки зрения и перспективных для практического применения аморфных материалов, является аморфный гидрированный кремний. Аморфный гидрированный кремний отличается высокой фотопроводимостью, большим коэффициентом поглощения и возможностью эффективного легирования, что определяет использование широкого круга методов для его научного исследования, а также его практическое применение. Большой практический интерес к a-Si:H, связан также с дешевизной и высокой технологичностью этого материала, обусловленных, в частности, возможностью получения пленок различных толщин, на больших площадях, при невысоких температурах.

На основе a-Si:H созданы: солнечные элементы с к.п.д до 13%; фотоприемники, фотоэлементы, видиконы; полевые транзисторы для адресации жидкокристаллических дисплеев; элементы памяти, запоминающие устройства; элементы интегральных схем; приборы для электрографии и т.д.

Для изготовления полупроводниковых приборов необходимы материалы с различными свойствами. Особенностью пленок а-Si:H, является возможность модифицировать их свойства внешними воздействиями, в частности, термическим отжигом. Установление природы этих модификаций, является важным научным направлением, позволяющим понять физику этого материала и новые возможности его практического применения.

Изменение свойств пленок a-Si:H, под влиянием термического отжига, исследовалось во многих работах. Наиболее исследованы нелегированные пленки. Было установлено, что при температурах отжига Та, меньших температуры их получения Г, изменения параметров нелегированных пленок незначительны и связаны с несовершенством изготовленных пленок, например, с неоднородностью распределения водорода.

При температурах отжига Та >Г (Г - температура, соответствующая максимальной скорости выхода водорода из пленок), происходят существенные изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок. Эти изменения обусловлены структурной перестройкой водородных связей и интенсивным образованием оборванных связей кремния (ОС). Имеются литературные данные и о таких структурных перестройках, как образование в a-Si:H микрокристаллической фазы, или цепочечных структур кремния - силицина.

В легированных бором, отожженных пленках a-Si:H существенные изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств наблюдались и при температурах отжига, ниже Г (Г < Г). Увеличение темновой проводимости и фотопроводимости было обусловлено увеличением концентрации электрически активных атомов примеси бора. При отжиге этих пленок при Та > Г, в результате эффузии водорода, происходило интенсивное образование оборванных связей кремния на фоне, которого более слабый процесс увеличения концентрации электрически активных атомов примеси, не проявлялся.

Надо отметить, что исследования проводились в основном для пленок, отожженных в вакууме и только до температур отжига ниже 520°С. После отжига в вакууме при такой высокой температуре, из-за интенсивной эффузии водорода, наблюдались механические повреждения пленок. Это мешало проведению исследований их электрических, фотоэлектрических и оптических свойств.

В настоящей работе проводился отжиг пленок a-Si:H при температурах выше 520°С. Отжиг проводился в потоке водорода, что уменьшало скорость эффузии водорода и существенно предотвращало механические повреждения пленок.

Целью настоящей работы было установление изменения электрических, фотоэлектрических и оптических свойств нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H, после высокотемпературного отжига их в потоке водорода и установление влияния примеси бора на эти изменения.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1.Обнаружено, что в отожженных пленках a-Si:H р-типа, в области низких температур (Т< 150К), наблюдается прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (D+, D°).

2. Обнаружено, что в отожженных пленках a-Si:H р-типа, в области промежуточных температур, наблюдается прыжковая

2 -проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.

3. Определен размер области неэкспоненциального спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных, сильно легированных бором пленках a-Si:H.

4. Установлено уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Е и увеличение длинноволнового показателя преломления и0 нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H, в результате высокотемпературного отжига их, в потоке водорода. Показано, что эти изменения, связанные с уменьшением концентрации водорода, не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в пленках.

Практическая ценность работы. Данные, полученные в работе об изменении электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок a-Si:H в результате высокотемпературного отжига могут быть использованы при создании на основе a-Si:H материалов, с заданными параметрами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружено, что темновая проводимость отожженных, сильно легированных бором пленок a-Si:H (Св =4-10"см*3) имеет неактивационную температурную зависимость и определяется суммой зонной проводимости, прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка, по состояниям оборванных связей кремния (D+, Щ и прыжковой £2-проводимости, по состояниям хвоста валентной зоны. Возникновение прыжковой s 2 проводимости связано с увеличением концентрации электрически активных атомов бора и смещением уровня Ферми к потолку валентной зоны.

2. Определен размер области неэкспоненциального спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных, сильно легированных бором пленках a-Si:H, как разность энергий активации зонной проводимости и прыжковой £2 - проводимости.

3. Установлено, что в результате высокотемпературного отжига в потоке водорода нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H, происходит уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Е и увеличение длинноволнового показателя преломления п0. Показано, что эти изменения связаны с уменьшением концентрации водорода в пленках и не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в них.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: IV Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С-Петербург, 2004 г.), третья Российская школа ученых и молодых специалистов "Кремний. Школа-2005" (Москва, 2005г.), научная конференция "Ломоносовские чтения" (Москва, 2005г.), VII Российская конференция "Полупроводники 2005" (Звенигород, 2005г.), научная сессия "МИФИ - 2006" (Москва, 200бг).

Выводы.

Исследованы электрические, фотоэлектрические и оптические свойства нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H, модифицированных методом высокотемпературного отжига в потоке водорода.

1. Установлено, что темновые проводимости отожженных, нелегированных и легированных бором пленок a-Si:H п- и р-типа, в исследованной области температур (80 К -480 К), имеют неактивационный характер, что обусловлено, наличием в этой области температур нескольких механизмов транспорта носителей заряда. Темновые проводимости нелегированных и слабо легированных пленок (п-типа), определяются суммой зонной проводимости и прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (D-, D0). В сильно легированных пленках (р-типа), кроме зонной проводимости и прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям оборванных связей кремния (D+, D°), обнаружена прыжковая е2 -проводимость по состояниям хвоста валентной зоны.

2. Установлено, что наличие прыжковой £2-проводимости связано со смещением уровня Ферми к потолку валентной зоны, что возможно, обусловлено увеличением концентрации электрически активных атомов бора.

3. Определен размер области неэкспоненциального спада плотности локализованных состояний хвоста валентной зоны в отожженных, сильно легированных бором пленках a-Si:H, как разность энергий активации зонной проводимости и прыжковой е2 - проводимости.

4. Установлено, что в отожженных пленках a-Si:H п- и р-типа, в области температур от 87 К до 360 К, наблюдается слабая фотопроводимость

А. Фотопроводимость в области высоких температур (Т> 150 К), увеличивается с увеличением температуры, а показатель степени люксамперных характеристик у изменяется слабо и лежит в интервале величин у = 0.8 -г-0.86. Предположено, что в этой области температур фотопроводимость зонная, а рекомбинация свободных носителей осуществляется путем захвата их из зоны на оборванные связи кремния. В области низких температур (Т< 125 К), фотопроводимость отожженных пленок п- и р-типа слабо уменьшается с температурой, стремясь к насыщению, а значения показателя люксамперных характеристик у увеличиваются, приближаясь к у «1. Предположено, что эти температурные изменения оРн и у обусловлены проявлением в этой области температур прыжковой фотопроводимости неравновесных носителей по состояниям хвостов зон и увеличением ее вклада с уменьшением температуры.

5. Установлено, что в результате высокотемпературного отжига нелегированных и легированных бором пленок а-Si:H происходит уменьшение оптической ширины запрещенной зоны Ед и увеличение длинноволнового показателя преломления по. Эти изменения связаны с уменьшением концентрации водорода в пленках и не зависят от начального содержания водорода и примеси бора в них

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Иде Александровне Куровой за внимательное отношение, руководство работой и обсуждение полученных результатов, Наталье Николаевне Ормонт за доброе отношение и помощь в работе, Игорю Петровичу Звягину за консультации по теоретическим вопросам, Андрею Георгиевичу Казанскому за участие и помощь при измерениях оптических свойств.

Автор благодарен сотрудникам кафедры физики полупроводников за теплое, доброжелательное отношение.

1. Zellama К., Germain P., Squelard S., Monge J., Ligeon E. //Effects of annealing in plasma gas on photo-conduction in sputtered amorphous Si.// J. Non-Cryst. Solids, 1980, v. 35 -36, p. 225.

2. Dai P., Zhang Y., Sarachik M. P. //Phys. Rev. Lett., 1992, v. 69, p. 1804.

3. Kumeda M., Shimizu T. //Solid State Comm., 1986, v. 58, p. 55.

4. Sakka Т., Toyoda K., Iwasaki M. //Evolutions of hydrogen from plasma-deposited amorphous silicon films preparated from a-Si:H4/H2 mixture.// Appl. Phys. Lett., 1989, v. 55, p.1068.

5. Biegelsen D. K., Street R. A., Tsai C.C. //Hydrogen evolution and defect creation in amorphous Si:H alloys.// Phys. Rev. B, 1979, v. 20, p.4839.

6. Yang S. H., Lee C. //Phil. Mag. B, 1986, v. 53, p. 293.

7. Staebler D. L., Pankove J. I. //Conductivity changes in dehydrogenated and rehydrogenated discharge-produced a-Si:H.// Appl. Phys. Lett., 1980, v. 37, p. 609.

8. Wu Z.Y., Equer B. //A-Si:H structure relaxation and boron reactivation.// J. Non-Cryst. Solids, 1991, v. 137&138, p. 179.

9. Курова И.А., Лупачева A. H., Мелешко H. В., Ларина Э.В. / /Влияние теплового отжига на фотоэлектрические свойства легированных бором пленок a-Si:H.// ФТП, 1994, в. 28, №6, с. 1092 1096.

10. Deng X.-M. //Irreversible changes in doping efficiency and hydrogen bonding in the equilibrium state of a-Si:H. //Phys. Rev. B, 1991, v. 43, p. 4820.

11. Курова И. А., Мелешко H. В., Ларина Э.В., Хлебникова О.П., Громадин А. Л. //Влияние высокотемпературного отжига на электрические и фотоэлектрические свойства пленок а-Si:H, легированных фосфором.// ФТП, 1996, в. 30, № 1, с. 12-16.

12. Bianconi М., Fonseca F. J., Summonte С., Fortunato G. //A study on excimer laser amorphous silicon film crystallization.// J. Non-Ciyst. Solids, 1991, v. 137 & 138, p. 725 728.

13. Lubianiker Y., David Cohen J. //Effect of embedded microcrystallites on the light-induced degradation of hydrogenated silicon.// Phys. Rev., 1999, v. 60, № 7, p. 4434- 4437.

14. Toshiro Kamei, Paul Stradins, Akihisa Matsuda. //Effect of embedded crystallites in amorphous silicon on light-induced defect creation.// Appl. Phys. Lett., 1999, v. 74, Nq 12, p. 1707 1709.

15. Машин А. И., Хохлов А. Ф. //Новые аллотропные формы кремния: получение и свойства.// ФТП, 1999, в. 33, р. 1434.

16. Mitra S., Gleason К. К., Jia Н., Shinar. //Effects of annealing on hydrogen microstructure in boron doped and undoped rf- sputter -deposited amorphous silicon.// J. Phys. Rev. B, 1993, v. 48, № 4, p. 2175 2182.

17. Pollak M., Shklovski B. //Hopping transport in solids.// North-Holland, 1991, v. 16, p. 323.

18. Massey L. G., Lee M.// Phys. Rev. Lett., 1995, v. 75, p. 4266.

19. Butko Yu., DiTesa J. F., Adams P. W. //Uber den Mechanismus der elektrischen Leitfahigkeit des Silicium-Carbids.// Pys. Rev. Lett., 2000, v. 84, p. 1543.

20. Mott N. F. //Conduction in glasses containing transition metal ions.// J. Non-Cryst. Solids, 1968, v. 1, p. 1.

21. Brodsky M. H., Gambino R. J. //Electrical conduction in evaporated amorphous silicon films.// J. Non-Cryst. Solids, 1972, v. 8-10, p. 739.

22. Stesmans A., Wu Y. //Anomalous Change of d. c. conductivity with ambient conditions in slowly deposited sputtered a-Si and a-Si:H.// Sol. State Phys., 1987, v. 62, № 6, p. 435 -439.

23. Viscor P. & Yoffe A.D. //Amorphous germanium prepared in ultra nigh vacuum and measured in situ: the D. C. electrical conductivity.// J. Non-Cryst. Solids, 1980, v. 36, № 3, p. 409.

24. Szpilka A. M. & Viscor P. //Temperature and thickness dependence of low temperature transport in amorphous silicon thin film comparison to amorphous silicon.// Phil. Mag. B, 1982, v. 45, p. 485.

25. Thomas P. & Flacket J. C. //J. Phys. C4, 1981, p.151.

26. Ortuna M. & Pollak M. //Phil. Mag. B, 1983, v. 47, p. 293.

27. Knotek M.I. //Temperature and thickness dependence of low temperature transport amorphous silicon thin films a comparison to amorphous germanium.// Solid State Communic., 1975, v. 17, p. 1431 -1433.

28. Lustig N., Howard W. E. //Variable range hopping conductivity in hydrogenated amorphous silicon thin filmstransistors.// Solid State Communic., 1989, v. 72, № 1, p. 59-61.

29. Chik By. K.P., Koon К. C. //Evidence for nearest-neighbour hopping in amorphous silicon.// J. Phil. Mag. B, 1986, v. 53, № 5, p. 399 405.

30. Zvyagin I.P., Kurova I.A., Ormont N.N. //Variable range hopping in giow-discharge hydrogenated amorphous silicon.// Phys. Stat. Solid., 2003.

31. Курова И.А., Ормонт H.H., Теруков Е.И., Трапезников И.Н., Афанасьев В.П., ГУдовских А. С. //Электрические и фотоэлектрические свойства слоистых пленок a-Si:H и влияние на них термического отжига.// ФТП, 2001, том 35, вып. 3.

32. Yamanouchi С. //Hall coefficient and resistivity in the intermediate impurity conduction of n-type germanium.// J. Phys. Soc. Japan, 1965, v. 20, p. 1029.

33. Nishimura H. //Impurity conduction in the intermediate concentration range.// Phys. Rev., 1965, v. 138A, p. 815.

34. Гершензон E. M., Гольцман Г. H., Мельников А.П. //Об энергии связи носителя заряда с нейтральным примесным атомом в германии.// Письма в ЖЭТФ, 1975, т. 14, с.281.

35. Кузнецов С.В. //Рекомбинация в a-Si:H п- и р-типа.// Труды Международной конференции "Оптика полупроводников", 2000, Ульяновск, стр. 116.

36. Zhou J.-H, Elliott S.R. //Tunneling recombination and the photoconductivity of amorphous silicon in the temperature region around 100 K.// J. Phys. Rev. B, 1993, v.48, № 3, 1505.

37. Vomvas A., Fritzsche H. //The temperature dependence of the photoconductivity of n-type a-Si:H and the effect of Staebler -Wronski defects.// J. Non- Crystalline Solids, 1987, v. 97&98, p. 823.

38. Zhou J.-H, Elliott S.R. //Phil. Mag. B, 1992, v. 66, p. 801.

39. Dersch H., Schweitzer L., Stuke S. //Recombination processes in a-Si:H: Spin-dependent photoconductivity.// Phys. Rev. B, 1983, v. 28, № 8, p. 4678 4684.

40. Vanier P.E., Delahoy A.E., Griffith R.W. //New features of the temperature dependence of photoconductivity in plasma-deposited hydrogenated amorphous silicon alloys.// J. Appl. Phys. 1981, v. 52, p. 5235.

41. Fritzsche H., Tran M.Q., Yoon B.-G., Chi D.-Z. //The sign of photocarriers and thermal quenching of photoconductivity in a-Si;H.// J. Non-Ciyst. Solids, 1991, v. 137&138, p. 467.

42. Балагуров Л. А., Кютте Я. Я. и др. //Особенности рекомбинации в аморфном гидрогенизированном кремнии.// ФТП, 1985, т. 19, вып. 6, р. 1046.

43. Стыс Л.Е., Фойгель М.Г. //Особенности донорно-акцепторной рекомбинации в слабо легированных компенсированных полупроводниках.// ФТП, 1985, т. 19, в. 2, с. 217 223.

44. Smail Т., Mohammed-Brahim. //Philos. Mag. В, 1991, v. 64, p. 675.

45. Bube R.H., Redfield D. //Variation of photoconductivity with doping and optical degradation in hydrogenation amorphous silicon.// J. Appl. Phys. 1989, v. 66, No 7, p. 3074 3081.

46. Кузнецов С. В. //Влияние хвостов зон a-Si:H на заполнение состояний оборванных связей и величинуфотопроводимости.// Тезисы докладов II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", 2000, Санк-Петербург, стр. 22.

47. Street R. A. //Hydrogenated Amorphous Silicon.// Cambridge University Press, Cambridge, 1991.

48. Hoheisel M., Fuhs W. //Drift mobility in n- and p-conducting a-Si:H.// Phil. Mag. B, 1988, v. 57, № 3, p. 411 419.

49. Kuznetsov S. V. //New feature of the photoconductivity in p -type a-Si:H films on doping level and defect concentration.// Abstract book of E MRS Spring Meeting, 2000, Strasbourg, France, О - P - 36.

50. Searle Т. M., //Philos. Mag. Lett., 1990, v. 61, p.251.

51. Kocka J., Nebel С. E., Abel C. D. //Phil. Mag. В., 1991, v. 63, №1, p. 221.

52. Vaillant F., Jousse D. / /Recombination at dangling bonds and steady-state photoconductivity in a-Si:H.// Phys. Rev. B, 1986, v. 34, № 6, p. 4088.

53. Shen D. S., Wagner S. //Numerical modeling of the dependence of the steady-state photoconductivity inhydrogenated amorphous silicon on the rate of carrier generation.// J. Appl. Phys., 1995, v. 78, № 1, p. 278.

54. Vaillant F., Jousse D., Bruyer J. C. //Recombination at dangling bonds and band tails: Temperature dependence of photoconductivity in hydrogenated amorphous silicon.// Phill. Mag. B, 1988, v. 57, № 5, p. 649 662.

55. Kruzelecky R. V., Racansky D., Zukotynski S. //Dependence of optical gap in a-Si:H on bonded hydrogen concentration.// J. Non-Cryst. Solids, 1988, v. 99, p. 89 96.

56. Kruzelecky R. V., Ukan C., Racansky D., Zukotynski S., Perz J. M. //Interband optical absorption in amorphous silicon.// J., Non-Crystal. Solids, 1988, v. 103, p. 234 249.

57. Swanepoel R. //Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon.// J. Phys. E : Instrum., 1983, v. 16, № 12, p. 1214- 1222.

58. Myburg G., Swanepoel R. //The influence of substrate temperature on the deposition rate and optical properties of a-Si:H thin films prepared by RF-glow discharge.// Non-Holland Physics Publishing Division, 1987, v. 96, p. 14 23.

59. Demichelis F., Minetti Mezzetti E., Tagliaferro A., Treesso E., Rava P., Ravindra N. M. //Optical properties of hydrogenated amorphous silicon.// J. Appl. Phys., 1986, v. 59, № 2, p. 611 -618.

60. Meiling H., Lenling W., Bezemer J., Wan Der Weg F. //Phil. Mag. B. 1990, v.62, p. 19.

61. Koltun M. M. //Selective optical surfaces for energy converters.// Allerton, New York, 1981, p. 14.

62. Swart P. L., Abaroni and Lacquet В. M. //Nucl. Instr. and Meth. B, 1985, v. 6, p. 365.

63. Sakata I., Hayashi Y., Yamanaka M., Karasawa H. //A new characterization parameter for hydrogenated amorphous silicon: В (the square of the gradient of the (a-hw)1/2 versus hw plot).// J. Appl. Phys., 1981, v. 52, p. 4334.

64. Yamaguchi M., Morigaki K. //Effect of hydrogen dilution on the optical properties of hydrogenated amorphous silicon prepared by plasma deposition.// Phil. Mag. B, 1999, v. 79, No 3, p. 387 407.

65. Klazes R. H., Bezemer J., Radelaar S. //Phil. Mag. B, 1982, v. 25, p. 377.

66. Kawase M., Masuda Т., Nagashima M., Maki Т., Miyamoto Y., Hashimoto К. // Jap. J. App. Phys., 1994, v.33, p. 3830.

67. Mireshighi A., Lee H.-K., Hong W.-S., Drewery J. S., Jing Т., Kaplan S. N., Perez- Mendez V., // Jap. J. App. Phys., 1995, v. 34, p. 3012.

68. Rocaicabarrocas P. //J. Non-Crystalline Solids, 1993, v. 37, p. 164 166.

69. Bruyere J. C., Deneuville A., Mini A., Fontenille J., Danielou R. //Influence of hydrogen on optical properties of a-Si:H.// J. App. Phys. 1984, v. 51, p. 2199.

70. Williamson D. L. //Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1995, v. 377, p. 251.

71. Zanzucchi C. R., Wronski C. R., Carlson D. E. //Optical and photoconductive properties of discharge-produced amorphous silicon.// J. App. Phys., 1977, v. 48, p. 5227.

72. Hayashi Т., Takagi Т., Ganguly G., Kondo M., Matsuda A. //Extended Abstracts Seminar on Amorphous Semiconductors, 1997, p. 183.

73. Курова И. А., Белогорохова Л. И., Белогорохов А. И. //Особенности оптических спектров аморфного гидрированного кремния, легированного бором, в инфракрасной области спектра.// ФТП, 1998, том 32, №5, стр. 631 -633.

74. Kong G.L., Zhang D. L., Zhao J. P., Liao X. B. //Sol. St. Phenomena, 1995, v. 677, p. 44 46.

75. Solomon I., Drevillon В., Shirai H., Layadi N. //J. Phys., Paris, 1993, v. 42, p. 257.

76. Xu X., Yang J., Guha S. //J. Non-Crystalline Solids, 1996, v. 60, p.198 200.

77. Fritzsche H., Tran M. Q., Yoon B.-G., Chi D.-Z. //Non-Cryst. Solids, 1991, v. 137&138, p.467.

78. Beyer W., Fischer R. //App. Phys. Lett., 1978, v. 21, p. 890 -892.

79. Yamasaki S., Hata N., Yoshida Т., Oheda H., Matsuda A., Okushi H., Tanaka K. //J. Phys. C, 4, 1981, v. 42, p. 297.

80. Tanaka K., Yamasaki S., Nakagawa K., Matsuda A., Okushi H., Matsumura M., Iizima S. //The role of argon involved in plasma- deposited amorphous Si:H films.// J. Non-Cryst. Solids, 1980, v. 35/36, p. 475.

81. Biegelsen D. K., Street R. A., Tsai С. C., Knights J. C. //Defect creation and hydrogen evolution in amorphous Si:H.// Non-Cryst. Solids, 1980, v. 35/36, p. 285.

82. Deneuville A., Mini A., Bruyere J. C. //J. Phys. C, 1981, v. 14, p. 4531.

83. Лей А. //Фотоэмиссия и оптические свойства//. В кн Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып.2.

84. Под ред. Джоунопулоса Дж. И Лкжовски Дж. М.:Мир, 1998, с 171.

85. Казанский А. Г., Миличевич Е. П. //Дефектообразование в a-Si:H при дегидрогенизации и оптической деградации.// ФТП, 1989, т. 23, в. 11, с. 2027.

86. Fritzshe Н. //Characterization of glow discharge deposited a-Si:H.// Sol. Energy. Mat., 1980, v. 3, № 4, p. 447 - 501.

87. Cardona M. //Vibrations in amorphous silicon and its alloys.// J. of Molecular Structure, 1986, v. 141, p. 93 107.

88. Street R.A. //Hydrogenated Amorphous Silicon.// Cambridge University Press, 1991.90 ред. Бродски. //Аморфные полупроводники.// М.:Мир, 1982, с. 324.

89. Звягин И. П. //Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках.// Изд-во МГУ, 1984.

90. Гершензон Е.М., Мельников А.П., Рабинович Р. И., Серебрякова Н. А. //УФН, 1980, т. 132, с.353.

91. Mott N.F., Davies J.H. //Phil. Mag. В, 1980, v. 42, p 859.

92. Zabrodski G. //Phil. Mag. B, 2001, v. 81, p. 1153.

93. Забродский А. Г. / /ФТП, 1977, в. 11, с. 595.

94. Swanepoel R. //Determination of surface roughness and optical constants of inhomogeneous amorphous silicon films.// J. Phys. E: Sci. Instrum. Vd, 1984, v. 17, p. 896.

95. Валеев A.C. //Определение оптических постоянных тонких слабо поглощающих слоев.// Оптика и спектроскопия, 1963, вып. 4, т. 15.

96. Tauc J. //Optical property of Solids ed F. Abeles.// North -Holland, Amsterdam, 1972, p. 279.

97. Overhof H., Beyer W. //Electronic transport in hydrogenated amorphous silicon.// Phil. Mag. B, 1983, v. 47, No 4, p. 377 -392.

98. Morgado E. //Phil. Mag. B, 1991, v. 63, p. 529.

99. Звягин И. П., Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. //Прыжковая £2 проводимость легированных бором пленок a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде.// ФТП, 2006, т. 40, вып. 1, стр. 112116.

100. Курова И. А., Нальгиева М. А., Ормонт Н. Н. / / Электрические и фотоэлектрические свойства пленок а-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде.// Вестник МГУ, серия 3, Физика. Астрономия, 2005, №4, стр. 54-57.

101. Курова И. А., Нальгиева М. А. //Влияние высокотемпературного отжига в водороде на оптические свойства легированных бором пленок a-Si:H.// Сборник научных трудов научной сессии "МИФИ 2006", 2006, т.4, стр. 188-190.

102. Курова И. А., Нальгиева М. А. //Влияние высокотемпературного отжига в водороде на оптические свойства легированных бором пленок a-Si:H.// Вестник МГУ, серия 3, Физика. Астрономия, 2006, №4, с. 39.