Метастабильность состояния в легированных бором и фосфором пленках a-Si:H, возникающие под влиянием внешних воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.315.592

ЛАРИНА ЭЛЬВИРА ВИКТОРОВНА

МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ И ФОСФОРОМ ПЛЕНКАХ a-Si:H, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ

ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: к.ф.-М.н. И. А. КУРОВА

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор.......................................................................9

1.1. Образование и релаксация созданных освещением метастабильных состояний в нелегированном a-Si:H....................................................................9

1.2. Образование и релаксация созданных освещением метастабильных состояний в легированном a-Si:H.......................................................................20

1.3. Термоиндуцированные метастабильные состояния в пленках a-Si:H и механизмы их образования и релаксации.............................................23

1.4. Влияние высокотемпературного изотермического отжига на параметры пленок a-Si:H.................................................................................34

Глава 2. Образцы и методики эксперимента, используемые в данной работе.........39

2.1. Исследованные образцы........... ......................................................39

2.2. Измерительная установка, методы и методика измерений.........................40

2.3. Оценка точности измерений......................... .....................................47

Глава 3. Фотоиндуцированные метастабильные состояния в пленках a-Si:H, легированных бором................................................................................49

Основные результаты главы 3 ............................................................79

Глава 4. Влияние высокотемпературного отжига на фотоэлектрические свойства легированных бором пленок a-Si:H и на процессы образования и релаксации фотоиндуцированных состояний в них....................... .................................81

4.1. Влияние высокотемпературного отжига на электрические и фотоэлектрические свойства легированных бором пленок a-Si:H................81

4.2. Фотоиндуцированные метастабильные состояния в отожженных при высоких

температурах пленках a-Si:H(B).........................................................95

Основные результаты главы 4...........................................................105

Глава 5. Фотоиндуцированные и термоиндуцированные метастабильные состояния в пленках a-Si:H, легированных фосфором...................................................107

5.1. Фотоиндуцированные метастабильные состояния в пленках a-Si:H(P).....107

5.2. Термоиндуцированные метастабильные состояния в пленках a-Si:H(P) ... 116 Основные результаты главы 5........................................................128

Выводы............................................................................................130

Список литературы............................................................................. 133

Введение

В течение последних двадцати лет изучение физических свойств неупорядоченных полупроводников стало областью интенсивных фундаментальных исследований в физике твердого тела.

Это обусловлено, во-первых, логикой развития физики - от простых упорядоченных структур кристаллов, к более сложным аморфным материалам, обладающим только ближним порядком; во-вторых, ростом практического применения аморфных полупроводников.

Наиболее широко исследуемым из неупорядоченных материалов является аморфный гидрогенизированный кремний (а-8г.Н). Он используется в электронном приборостроении из-за относительно дешевого способа его получения и возможности выращивания пленок а-БгН большой площади. Впервые пленки а-81:Н были использованы в качестве материала для создания фотоэлектрических приборов, таких, как солнечные батареи для часов и калькуляторов. К настоящему времени, на основе а-БгН созданы и используются в электронике тонкопленочные полевые транзисторы, световые сенсоры, которые применяются в жидкокристаллических дисплеях, в оптических сканерах, БАХ-машинах; фоторецепторы для ксерографических аппаратов и лазерных принтеров. Кроме того, широко используются матрицы из солнечных батарей большой площади с КПД 6-9%. Существует много приложений для приборов большой площади, например для проявления изображения высокоэнергетичного излучения и треков частиц. Отображение излучения используется в биологических измерениях, таких, как гелевый электрофорез, в котором фрагменты биологических молекул (ДНК) диффундируют в геле и детектируются добавлением меченых радиоактивных атомов, излучение которых отображается на экране дисплея. В таких экспериментах используются детекторы на основе а-8кН, которые проявляют изображение на экран в реальном маштабе времени, или накапливают информацию в памяти ЭВМ с последующей обработкой - компьютерная томография.

Одной из интересных проблем, как с научной, так и с практической точек зрения это проблема метастабильности - образование и релаксация метастабильных электронных состояний. Метастабильность является характерной особенностью аморфных материалов и проявляется как обратимое изменение электрических и оптических свойств материала под влиянием внешних воздействий. Метастабильность накладывает ограничения в применении пленок аморфного гидрогенизированного кремния в приборах. Например, длительное использование солнечных батарей приводит к их деградации, то есть к уменьшению КПД. Это явление вызвано образованием метастабильных электронных состояний и, как следствие, уменьшением фоточувствительности пленок а-БШ под влиянием длительного освещения. Поэтому изучение природы метастабильных состояний, процессов их образования и релаксации является важным направлением в физике аморфного гидрогенизированного кремния.

В литературе имеется большое количество экспериментальных данных об изменениях электрических и оптических свойств под влиянием освещения, температурной обработки и других внешних воздействий в основном в нелегированных пленках а-Бг.Н при температурах вблизи или ниже комнатной. Разработан ряд моделей, объясняющих наблюдаемые изменения свойств материала. Экспериментальных данных, посвященных изучению метастабильности в легированных пленках а-БШ, значительно меньше, а сколь-нибудь подробные исследования метастабильных состояний при высоких температурах отсутствуют.

Настоящая работа посвящена изучению метастабильных состояний в легированных бором и фосфором пленках а-БкН, образованных под влиянием различных воздействий - освещения при высоких температурах и быстрого изменения температуры. Было также исследовано образование метастабильных состояний под влиянием высокотемпературного отжига (температура отжига выше температуры получения пленки) и их влияние на электрические и фотоэлектрические параметры легированных бором пленок а-БШ и процессы

образования и релаксации фотоиндуцированных метастабильных состояний в них. В легированных фосфором пленках а-8г.Н была исследована релаксация фотоиндуцированных и термоиндуцированных метастабильных состояний (в одних и тех же пленках) для сравнения характеристик процессов релаксации и ответа на вопрос: одинаковы ли закономерности и механизмы образования метастабильных состояний, повышающих проводимость пленки, но образованных разными способами.

Целью работы было установление механизмов образования и природы фотоиндуцированных метастабильных состояний (ФМС) и термоиндуцированных метастабильных состояний (ТМС) в легированных бором и фосфором пленках а-БШ.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Обнаружено, что при освещении легированных бором или фосфором пленок а-8ьН образуются два типа ФМС - быстрые и медленные, обуславливающие немонотонную кинетику изменения темновой проводимости во время и после освещения пленок. Установлено, что для быстрых и медленных состояний скорости образования и параметры релаксации, описываемой растянутой экспонентой - т и Д по-разному зависят от температуры и интенсивности освещения. Показано, что это обусловлено разной природой быстрых и медленных ФМС и различными механизмами их образования. Быстрые состояния - это фотоиндуцированные метастабильные оборванные связи кремния (ФОС), механизм образования которых описывается двухуровневой конфигурационной диаграммой; медленные состояния - это фотоиндуцированные метастабильные электрически активные атомы примеси (ФЭАП), механизм образования которых описывается трехуровневой конфигурационной диаграммой.

2. Обнаружено, что высокотемпературный отжиг легированных бором пленок а-БШ (7л<7а<400°С) приводит к образованию термоиндуцированных метастабильных электрически активных атомов бора с большой энергией отжига -2 эВ. Эти термоиндуцированные метастабильные состояния

обуславливают повышение темновой проводимости и фотопроводимости отожженных пленок, стабильное при низких температурах.

3. Установлено, что релаксация образованных закалкой ТМС в пленках а-8г.Н(Р) описывается растянутой экспонентой с параметром Д практически не зависящим от температуры, что отличается от релаксации ФМС в этих пленках, когда параметр (3 уменьшается при увеличении Т. Это обусловлено разным механизмом образования ТМС и ФМС.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Обнаружено, что в пленках а-8Ш, легированных бором или фосфором, при высоких температурах образуются два типа фотоиндуцированных метастабильных состояний - быстрые и медленные, имеющие различные зависимости скоростей образования и параметров релаксации - т и Р от температуры и интенсивности освещения. При этом, различие в температурных зависимостях параметров /? быстрых и медленных состояний коррелирует с различным изменением с температурой полуширины распределения метастабильных ФОС и ФЭАП по энергиям отжига Еа. В случае ФОС полуширина распределения Р(Еа) практически постоянна, в случае ФЭАП -наблюдается увеличение полуширины. Это обусловлено различной природой быстрых и медленных ФМС и разными механизмами их образования: быстрые состояния - это фотоиндуцированные метастабильные оборванные связи кремния (ФОС), механизм образования которых описывается двухуровневой конфигурационной диаграммой; медленные состояния - это фотоиндуцированные метастабильные электрически активные атомы примеси (ФЭАП), механизм образования которых описывается трехуровневой конфигурационной диаграммой.

2. Обнаружено, что отжиг пленок а-8Ш(В) при 7^<Та<400°С, когда еще нет существенной эффузии водорода из пленок, приводит к увеличению фотопроводимости и темновой проводимости. При этом, энергия активации темновой проводимости Еа уменьшается. Показано, что эти изменения

параметров материала обусловлены увеличением эффективности легирования пленок а-8г.Н(В) в результате образования термоиндуцированных метастабильных электрически активных атомов бора с большой энергией отжига ~2 эВ. Исследования процессов образования и релаксации фотоиндуцированных метастабильных состояний (ФМС) в пленках, отожженных при Га<400оС показали, что характер кинетики их образования и релаксации не изменяется по сравнению с неотожженными образцами. Параметры релаксации г, Еа и /? изменяются в соответствии большей концентрацией электрически активных атомов бора в отожженных пленках, что согласуется с данными стационарных измерений об увеличении концентрации метастабильных электрически активных атомов бора.

3. Установлено, что в пленках а-Яг.ЩР) релаксация ТМС, образованных закалкой, описывается растянутой экспонентой с параметрами релаксации т и Д зависящими от температуры. Показано, что параметр /3 практически постоянен с температурой, что согласуется с практически постоянной, определяемой экспериментально, полушириной начального распределения ТМС по энергиям отжига и определяется отличным от ФМС механизмом образования ТМС.

Практическая значимость работы состоит: 1) в доказанной возможности увеличения темновой проводимости и фотопроводимости легированного бором а-Бг.Н после высокотемпературного отжига; 2) в возможности устранения после высокотемпературного отжига зависимости темновой проводимости от тепловой предыстории образца, что является существенным для улучшения стабильности функционирования ряда приборов на основе а-Бг.Н, в частности, тензодатчиков.

Глава 1. Литературный обзор 1.1. Образование и релаксация созданных освещением метастабильных состояний в нелегированном а-БкН

Первые пленки аморфного гидрогенизированного кремния (а-8Ш), выращенные методом разложения моносилана 81Н4 в плазме высокочастотного тлеющего разряда, были получены Читтиком и др. [1]. Уже в' ранних экспериментах [2, 3] было обнаружено, что пленки а-БгН, полученные этим методом, обладали удивительно низкой плотностью локализованных состояний в щели подвижности. В то же время Читтик и др. [1, 3] впервые наблюдали поглощение в ИК области спектра на частотах, соответствующих колебательным модам связей водорода с кремнием, а также некоторые метастабильные явления, которые широко изучаются в настоящее время.

Влияние длительного освещения на аморфный гидрогенизированный кремний было впервые открыто и изучено Стеблером и Вронским в 1977 году. Они обнаружили [4], что когда нелегированный аморфный кремний в течение нескольких часов подвергается воздействию света с широким спектром энергий квантов Ьу=1.4-^-2.1 эВ, наблюдается уменьшение фотопроводимости и темновой проводимости на 4 порядка. Это изменение проводимости месяцами сохраняется при комнатной температуре и может быть устранено термическим отжигом при Т > 150°С с энергией активации, оцененной ими в Еа « 1.5 эВ. Авторы предположили, что длительное освещение приводит к обратимым метастабильным изменениям плотности состояний в запрещенной зоне материала.

Изучению природы и механизма эффекта Стеблера-Вронского (ЭСВ) посвещено много работ, в которых исследования этого эффекта проводились различными методами. В [5, 6] методом измерений электронного парамагнитного резонанса было обнаружено, что после освещения нелегированного а-БШ сигнал ЭПР с g-фaктopoм 2.0055, соответсвующий

нейтральным оборванным связям кремния (ОС), увеличивался. Ширина линий сигнала ЭПР указывала на то, что эти фотоиндуцированные ОС разделены пространственно более чем на 10 Â. Из чего был сделан вывод об увеличении концентрации нейтральных изолированных ОС после освещения. В этих же работах было сделано предположение, что в пространственном разделении оборванных связей участвует расположенный рядом атом водорода. В работе [7] авторы, измеряя оптическое поглощение а-Si.H, установили, что после освещенияобразца поглощение в области энергий, больших оптической ширины зоны, не изменяется, а в дефектной области спектра 0.7-^1.3 эВ существенно увеличивается, что говорит об образовании при освещении центров поглощения. Наблюдалось также изменение фотолюминесценции [5] в результате освещения, максимум которой перемещался от 1.4 к 0.9 эВ. Первый пик связан с рекомбинационными переходами между локализованными состояниями хвостов зон, последний - с рекомбинацией носителей через оборванные связи. Кроме того [8], изучение кинетики люминесцентного излучения показало, что после освещения образца a-Si:H скорость спада люминесценции увеличивается. Это связывается с образованием безызлучательных центров после длительного освещения. Измерения методом емкостной (релаксационной) спектроскопии глубоких уровней показали возрастание плотности глубоких ловушек после длительного освещения пленки a-Si:H, согласующееся с возрастанием концентрации оборванных связей кремния [9].

Вся эта совокупность исследований, призванных объяснить эффект Стеблера - Вронского, породила несколько гипотез о механизме образования оборванных связей кремния в результате освещения. Их можно разделить на три основные группы.

В первую группу входят предложенные во многих работах [6, 10-12] модели, основанные на разрыве слабых связей кремния Si-Si с образованием

нейтральных оборванных связей. Молекулярные орбитали слабой Si-Si связи (имеющие зр3-гибридизацию) расщепляются на связывающее и антисвязывающее состояния, которые формируют хвосты плотности состояний валентной зоны и зоны проводимости соответственно [13]. Возбужденный светом электрон захватывается на антисвязывающее состояние слабой Si-Si связи, неравновесная дырка - на связывающее состояние [14]. В результате последующей рекомбинации выделяется энергия, которая приводит к локальному колебанию связи и ее разрыву. Восстановлению разорванной связи препятствует водород, который диффундирует к одной из ОС и, тем самым, разделяет их пространственно [14]. Так как происходят только локальные атомные перестройки аморфной сетки, то возможна обратимость представленного процесса. Микроскопический механизм образования метастабильных оборванных связей кремния, предложенный авторами работы [14], показан на рис. 1.1.

Мехинизм образ�