Метастабильные состояния, возникающие в пленках а-Si: H под влиянием внешних воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИ;! ГОСУДАРСТВЕННЫ/! ЛМВЕРС11ТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи

МЕЛЕИКО Наталья Вадимовна

ОТ S21.315.592 мегастабильеые состояния, воешшш в пленках а-с^н

под влиянием внешних вдздэдстшй

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических науу.

Москва '1994

Работа выполнена на кафедре физика полупроводников логического факультета 'московского государственного университета икеки ¡•.г..Б.Ло"шосова

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник И.А.ЮТОВА

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Э.Н.ВОРОНКОВ;

кандидат физико-математических наук А.В.ГШШН. ' _

Бедукая организация - Московский инженерно-физический

институт.

■ Защита состоятся " Ов-УСадрЯ,1994 г. в /¿Г* часов на заседания Специалязпровшшого Совета К.053.05.20 в Москов-сжом'Еосударственном университете имени М.Б.Ломоносова по адресу: 119899, г.Москва, ГСП, Воробьевн Горы, физический факультет М1У, корпус физики низких тешератур, ауд.2-05а.

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

Автореферат разослан " -/У'"__1ЭЭ4 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Х.053.05.20 в МГУ им.М.В.Ломоносова, к.ф.-м.н., 1 / Г.С.ШЮТШКОВ

(

(&Щ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, . .

Анорда гидрированный кремнии (a-Si:H) - один из самых ин-ересннх и перспективных некристаллических материалов. Практи--интерес к'этому штериалу обусловлен его высокой тзхноло-птюстьв (относительная простота процессов осаядеш при срав-жеяыю низких шпериурах, возшшють депфозання з процессе садепя), s такте ведомое стош'остьп получения. Кро::е того, корда* крешш отйг-эбш! разнообразней свойств, сяределяззих го использование в конкретных полупроводвжовнх приборах. Sipo-:се прикзшше его в лоследнео время в полупроводниковой кикро-лектренкке, ^пзшро^отогрз^'л и солнечной энергетике сопровох-аетсз нногочислекнкш исследованиями физических явления в этой вупорздочзшш материале. Больной научный интерес шшот про-есси, связадае с образованием и отшгон в нен нетастабильннх остояния, вознйкщ!«-под влиянием света, электрического шля, еипературноя обработка и т.д. Изучение этих процессов вахно для енешя вопросов стабильности a-Si:H к ищшшюго язшшя го-шролетров под шишек внешних воздействия.

-Первая часть данной работы бнла посвящена исследован® про-ессов образования и опита кетастабильшх $отоиэдуцироваишх борвакшх связен (ОС) в н-злегировакиюс пленках a~5i:H. К началу анноя работа существовало несколько вариантов объяснения этих рсцессов. fio ясной и- полкой картина процессов образования и от-нга кзтастабильшх оборванных связей в a-Si:H до сйх пор нет. -Во второй части работа изучались метастабильше состояния легированных пленках a-5i;H, изкенения свойств этих пленок под пишем сильных термических воздействии.

Возможность легирования пленок a~Si:H в процессе их осахде-ш значительно расширила область применения аморфного гидриро-ишого крешш. Пркборн на основе a~Si:H создастся как на р-п, -i-n, !ЮП-структурах, ш и на гетеропереходах. Легированный зтериал более слошя с точки зрения происходящая нен далеких процессов, в частности, возшно взаимодействие между дежами, атома примеси н водорода. Известна, что при легирова-w в пленках образуется оборванные связи; кроме того, несмотря никснрованное число атоков принеси (8, Р, As и т.п.), ковден-щия доноров или акцепторов и оборванных связей нохет изке-

няться в зависимости от температуры и положения уровня Ферни.

Время установления равновесия в системе "дедекг-прикесь" увеличивается с понихениен температурн, и возшию возникновение метастабипьшго состояния материала с повышенной Гзащшен-ной") концентрацией носителей, дефектов и примесей, а такзе связанного с этим температурного гистерезиса темновои проводимости." Изменения характеристик гистерезиса под влиянием внэинда воздействии совсен капо изучены.

В последние годн появилось иного работ. по создания ш'ро-кристалличзских композитов на основе a-Si:H - матриц аморфного кренш с Бшченши в них: нано- или никрокристаллов. Этот материал перспективен для применения в накоэлектронике. Получение его основана на осуществления твердофазной кристаллизации в ■пленке a-Si:H при юром световой шш термическом воздействии. Понимание свойств и условий получения двухфазного материала с нуиыни параметрами возноио при условии знания свойств аморфной фазы, подвергнутой световой или термической обработке, до начала кристаллизации.

Цельа данной работы было установление закономерностей процессов образования и отота нетастебилъных состояния в делегированию: и легированных пленках аюрдаго гидрированного крекния в • зависимости от предварительных внешних воздействии на пленки, .-а такхе ваяшэййз вопросов стабильности материала и возмозности управления его параметрам путей световых или термических воздействия. ^

Научная новизна,

1. Впервые экспериментально установлено, что в нелегированннх ■•пленках a-Si:Н кинетика образования метастабилыш. оборванных

связей (ОС) под влиянием освещения зависит от. предварительной -обработки пленки: шет набщаться как нононолвкулярнык, так и бимолекулярный процесс образования ОС. '-Тсгаювлеш, что бимолекулярный процесс не зависит от температуры, а нонолекуляршя инеет активацдоннув тешературнув зависимость с двумя энергиями активации.

2. Впервна экспериментально показано, что в нелегированннх плзн~ -ках a-Si:H стационарная концентрация метастабияьннх оборванных связей, устанавливавшаяся в процессе длительного освещения при заданных температуре и интенсивности света, не зависит от предыстории образца.

3. Обнаружено, что в легированных борон пленках a-5i:H после в

окотекпературного термического т светового опита (Т)Т5) воз-икает кетастабкльное состояние с повызенноя прозодшюстьэ и опроводишстью.

оказано, что этот зфе>ект является обккннк и.связан с увеличе-ffiií концентрации электрически активных атомов бора при сильном зрничесш воздействии.

пленках, легирования ^ос^орок, этот г?$ект отсутствует. ' . Впервые обнаругено, что в легкровашах борон и *ос$ором плен-iX-a-ShH, подвергнутых жщнону световону облучен® шш высохо-з!1вратуршиу отЕ-ту (Г)ь), прогадает температурил? гистерезис

ЙЗЮЮЙ ПрОВОДИКССТК.

зсл? отита при Т>5$ЗаС проводимость легировакшх пленок в об-!сти"нша тешерату? (Т<258 К) определяется пркшш! перено-»1 заряда вследствие увеличения шютиостз состояний дефектов >л:ш давня Ферми. •ОсноЕнь'д полошм, олнос^ные на запнту.

1, Оокзрукнс, что» в велегароваами пленка): a-Sí:H кинетика >резовз»1я нетостебйлькнх оборванных связей (ОС) под влиянием жеяеш зависит от предварительной обработки пшики. В предва-яельда ошпекноп в тешоте пленке кабщается квадратичная' шшшость шзцезтршкш кетастабильж ОС от времени осэдення, ■о соответствует шшмодекулярноиу неханизиу образования ОС.

топ хе пленке после предварительной засветки, ев при допевая • ¡¡¡пэратург кабяздается кубическая зависимость, которая соотвег ■вует бкдолекулярноьу механизму образования оборваннах связей, tena механизма образования ОС объясняется уиекьшениек в предва-ггелько освеженной пленке числа латентных центров, неустойчивых •носителько захвата одного носителя, ташвлено, что биколекулярннй механизм образования ОС не завг -(Т от температуры, а мононолекуляршш имеет актавацконнуа тем-'.ралтнузз заЕксккость. Обнаруженное нал™ двух энергии актами для иононолекулярного механизма объясняется сиеной уровня хвата носителей заряда с ростом температура.

2. Установлено, что в нелегмрованшх пленках a-Si:H статарная концентрация нзтастабильшх оборванных связей 1J£, уста-влкващаяся в процессе длительного освещения при заданных тен-ратуре и интенсивности освещения, не зависит от предыстории разца. Температурная зависимость Nj имеет актквацноншй харак-P, не зависяда от интенсивности света; при даннол температуре связано с интенсивность!! света степенным законом. В предполо-

хении бимолекулярного механизма образования кетастабиышх ОС в условиях Н2сщеюш (после длительного освещения) на основании получешнх зависимостей сделан вывод о мономолекулярном процессе отжига в условиях освещения с элективной энергией активации Е=0,8 эЗ. . . . ,

3.Обнаружено, тго в легированных борон пленках a-Si:В после облучения их мощи белым светом или после высокотемпературного отжига при I <Т<459°С ¡T - температура подложки при осаждении пленки), в отличие от легированных фосфором пленок, возникает метастабильное состояние с повышенной проводимостью и фотопроводимости!. Время релаксации этого состояния велико. Показано, что этот эффект является объемным и связан с увеличением концентрации злектршжи активных атомов бора при сильном термическом воздействии.

Предложено качественное обЬяснение обнаруженного здекта, основанное ш предгологении о наличии в исходной пленке a-Si:H(B) электрически неактивных атомов бора, взаимодействуя®« с близко расположенными атомами водорода, связанными с кремнием, и о слабоя шссивада атомов Фосфора в исходной пленке a-Si:H(P).

_4.05нару1ено, что в легированных борон и фосфором пленках a-Si:H, подвергнутых ротному световому облучению или высокотемпературному отжу при Т>Тпропадает' температурный гистерезис темновои прсшдимости - метастабильное увеличение проводимости, возникавшее при "закалке" пленки.

В области низких температур (Т(250 К) после отжига при ТШаС возникает прыжковая проводимость по состояниям вблизи уровня Ферми.

Практическая ценность результатов рабатн^заключается, по-видимому, в следщеи:

-в определении величина, а также временных и температурных зависимостей установления стационарной проводимости и фотопроводимости ^легированного аморфного гидрированного кремния в условиях освещения, близкого к солнечному. Это ваш для расчетов величин и времени установления стационарных характеристик солнечных элементов в рабочих условиях;

-в обнаружении з^екта увеличения проводимости и фотопроводимости легированных бором пленок a-5i:H после обработки их щнш CESTOBHffii импульсами ив! термического отжига;

-в установлении возможности устранения температурного гистерезиса текновоя проводимости в легированных борон к фосфором

в

пленках путей термического отжига или конного импульсного воз- У действия; это вино для практического применения легированного a-5i:H, в частности, как натерши для пьезодатчиков.

Апробация работы.

Еэтбрмш диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совешнин по возобновятся исгочжаи энергии (г.Гелен-дж, 1988 г.), на Совегашгсешнаре 'Аморфные поляроводники к диэлектрик на основе кремния в электронике" (г. Одесса, ÍQ89 г.). на XII Всесоюзной конференции по даже полупроводников (г.Ккзз, 1993 г.), на секции физики-Ломоносовских Чтекя Г i 993 г.), вош в отчет по х/д тепе 45/В5 (Í9B8 г.), По'результатаз^ исследовании опубликовано Í0 работ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

8о введении обозначена актуальность теш, сдащирована основная цель работы, приведены полохеш<я, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работа.

Первая глава посвящена краткому обзору литературная данных по изучен® процессов образования под влиянием внешних воздействия и отата кетастабильннх состояния в пленках a~5i:H и влияй© их ка электрические к фотоэлектрические свойства материала.

В первом параграфе литературного обзора обобщаются данные работ по исследованию природы и основных особенностей кетастабильных дефектов /возникавших под влиянием внешних'воздействий. В настоящее время принято считать /1/, что кетастабильнке дефекты по своей природе являются структурными, а не электронными; в процессе образования они стабилизируются за счет диффузии водорода, а во вреда отжа они ликвидируется. •

В§2 рассматриваются работы по изучении влияния быстрого охлаждения на злектроннув систему и температурнув зависимость тенновоя проводимости легированных пленок a-Si: Н- При охлаждении пленки, когда врет установления термодинамического равновесия в системе 'дефект-прикесь' становится больше характерного времени наблюдения, возникает "закорозенное11 нетастабильное состояние с повышенной проводимость®.

В р обсуждавгся данные работ, в которых рассматривалось влияние условий осахдения на свойства пленок a-Si:H, а татае изменение свойств-пленок под воздействием светового или термического ответа вплоть до кристаллизации.

В следукцем параграфе привадятся результаты экспериментов и

/

теоретических исследования по эффекту Стеблера-Вронского (э?-фекту уменьшай под действием освещения темновоя и фотопроводимости пленки /2/, связанного с образованием метастабильннх-оборванных связей (ОС) в середине.щели подвижности).

В §5 обобцавтся литературные данные по релаксации метаста-бильннх состояний, в тон числе, по отжу ОС, созданных в процессе освецения.

Вторая глава посвящена характеристике использовавшихся для исследования образцов и нетодик проводившихся экспериментов. В работе исследовались нелегированные и легированные борон и фосфором пленки аморфного гидрированного кремния (a~Si:H) на разных подшках. Пленки были получена в ГИРЕДКЕТе в оптимальных технологических условиях методом' разложения моносилака в плазме высокочастотного тлезщего разряда. Легирование производилось из газовой $азн в процессе осахдения. Контакты из алюни-ния и нихрока в планарной конфигурация напылялись в вакууне и обеспечивали шейные ВАХ. • •

Приводится схема конструкции металлического азотного криос-' тата,.которая позволяла проводить измерения тенновои и фотопроводимости в интервале температур 109 - 480 К, а такхе осуцес-- твлять предваритееьныа отж и "закалку* образцов в саном крг остате. ■ • •, -

Далее приводятся описания методик измерения тенновои и фотопроводимости, длительного освещения пленок белым "солнечным" светом, облучения образцов мощами световыми вспышками, высокотемпературного отита, а тале измерения 3IP и Рамановских спектров.

В третьей главе представлены результаты экспериментов и их обсуэдение. Глава делится на две части. Первая посещена иссле- . дованш процессов образования и оттга Фотоиндуцированных оборванных связен в нелегированных пленках a~5i:H. Во второй часта изучались штастабильнне состояния, образующееся при "закалке" в легированных пленхах до и после воздействия на них модного светового ш теплового воздействия.

.В разделе i. 1 приведены экспериментальные данные, определяющие основные гараметры исследовнннх нелегированных пленок. Измерения тенновоя и фотопроводимости, их температурных зависимостей МТ)..и &р(Т) показали, что энергия активации проводимости составляла в этих пленках E^=9,7ífQ,74 зВ, предзхспо-ненциалыЕй даохкгель 10a Ок^сн"*, 6^(7=300 КМГ£

Ом си , Фоточувствительность Ьб* (306К) ЩШ1]), 10* Изне-рения ЗПР показали значения концентрации ОС в пленках N ~ № см"*. Таким образом, исследованные пленки имели параметры, характерные для нелегированных пленок высокого ('приборного8) качества.

• Раздел 1.2 посещен изучен® в еироком'интервале температур (15? - 380 К) кинетики образования метастабильннх оборванных связей (ОС) гщ действием освещения бэлш; светом (1М09 г.Вт/сн^) неходок еотопровойшюсш, который основан ш использовании со-отнопенип обратно;? пропооцкональности

(1)

ятмроюдамсш) 6» к концентрацией й обздевдк связей; в ~ когдоя&энт, ¡¡рзпорцшнальннй интексшосш К и-слабо

от те:шерзт>ра Т. Это сооткогзре бкпошшлссь, тле. использовался шшт уровень позбщенод и теш имели линейные люкс-а>шернне характеристики /3/.

-Перед кзкзрениш пленки отжались-в тешюте при 178гС, а затем охлзвдал-сь до температуры, при которой проводилось освещение и измерение кинетики 6Д)< Для всех температур получи® соответствие зависимости бр(1) коноиолекулярнону- процессу образования ОС

= С{/М (2)

■На температурной зависимости СИТ). благодаря екрокону текпера-турнону интервалу исследований, мам удалось обнаружь два экспоненциальных участка с разными энергиями активации:

0,15 зВ в области Т<290 К, Е* = 0,35 зВ в области Т>290 К.

В разделе 1.3 приведены результаты исследования зависимости кинетики образования дотоиндуцировашж ОС от предыстории пленки.

Нам впервые удалось показать, что характер кинетики мохет изменяться в одной и топ ке пленке в зависимости от предварительной обработки. При эток во врем обработки практически не изменялось положение уровня Ферм. Рассматривается два крайних случая. В предварительно оголенной в темноте при 178"С пленке шбвдается кокомолекулярнни механизм (см, раздел 1.2). В той к делегированной пленке, но предварительно освеженной при повы§ешой температуре, до стационарного состояния, кинетика образования $атоищуцированннх ОС соответствует бимолекулярному механизму

Температурные исследования показали, что процесс образования ОС в предварительно освещенных пленках практически не инеет температурной зависимости.

На основании модели образования ОС в результате разрыва слабых связей кремния /2,3/ приводится возможное обЬяснение полученный результатов. Нономолекулярнш процесс определяется, по-видимому, захватом одного носителя в хвост соответствущеи зоны; бимолекулярный процесс определяется захватом сразу двух носителей на связывание и антисвязыващее состояния одной ела-. бои связи. Изменение механизма может быть обусловлено релаксацией структура и уменьшением числа латентных центров, неустойчивых относительно захвата одного носителя. Наш данные о том, что разрыв слабой связи при захвате одного носителя требует затраты энергии, а'разрыв при захвате двух носителей - безактг вационный, согласуется с теоретическими расчетами Н.Итуцмана/4/.

Наличие двух энергий активации моношехуляршго процесса, вероятно, объясняется переходом определявшей роли в процессе образования ОС от захвата электронов к захвату дырок в хвост из валентной зоны.

Раздел 1.4 гасвяцен исследованию зависимости стационарной концентрации ютоиндуррованню: ОС от температуры и интенсив: •ности света. Температура изменялась в интервале Т=320 г 430 К, интенсивность - 1Н0.03 * 1.00)-Ш мВт/сма.

Стационарная концентрация Фотоиндуцированннх ОС N. и соот-ветствуицая ей стационарная величина фотопроводимости устанавливается в процессе освещения в результате уравнивания скоростей процессов образования и отжига ОС (наблюдается насыщение).

Энергия активации б5 составила ^=0.27 эВ при. любой заданной интенсивности света. Зависимость от интенсивности Н хорошо описывалась соотношением " йус ^0.4.

Таким образон, мы установили следущие экспериментальные зависимости {.х

б5-ехр(-Е5ЛТ)-Г ■ К3 ^ехр(Е3ДТ)-Н (4)

Б предположении бимолекулярного механизма образования ОС в области насыщения ФЯ {после длительного освещения) найденное значение \ позволяет сделать вывод о мононолекулярности процесса опига ОС в условиях освещения

dN/dt = - ВМ (5)

<to

Принимая во внимание характер процессов образования и отжига ОС в области насщения и зная значения ^ и Ев, получили величину элективной энергии активации отхига £,.=0.81 эВ.

. Экспериментально показано, что величина стационарной концентрации Н, не зависит от предыстории образца, а определяется его температурой и интенсивностьи освещения, т.е. является характеристикой пленки. ■

В разделе 1.5 приведены результаты независимого изучения процесса отшга в темноте Фотоиндуцированных оборванных связей в нелегированных пленках a-5i:H. Пленки предварительно освещались белым светом при текпературе Т„, а затеи устанавливалась температура темнового отшга Ub.

Наблвдаеные кривые кинетики отшга не описывались простои экспоненциальной зависимостью бр от времени t, которая соответствует коношлекулярнону процессу (5). Согласно работе Итуцмана / 3/, мы предполохили, что существует некоторое распределение 5>(У энергия мононолекулярного отжига в некоторой интервале энергии. Среднее время жни нетастабильного состояния представлялось в виде •

, ^ = !/>) = l/[iexp(-EcДТ)] (б) ■

Тогда за время отшга. t все нетастабильные центры, имевшие вре: мя хизни T<t и энергии ЕДТвМОД), перейдут в основное ^состояние. Взяв производные от полученных экспериментальных кривых по kTa.lnfVst), приникая ся , получили распределение p(U в относительных единицах для каждой ^ в интервале 0.9-1.2 зВ.

Из пилученных результатов мохно было зашчить, что положение максимума распределения определяется температурой \0 образования ОС и лехит в области 1.1 зВ. При повышении 1С максимум распределения fL снедается в область больших энергии. Отсиг при разных То, Фотоиндуцированных ОС, образованных при одной Т0, дает одно и то хе полозение максимума.

. Найденная из данных по наенцегаш энергия отхига 0.81 эВ близка к нихнему пределу распределения энергий темнового отхига, а не совпадает с максимумом. Видимо, это значение мохно рассматривать линь как эффективное в процессе отзжа при освещении.

В разделе 1.6 приведены результаты исследования влияния высокотемпературного отзига (Г)ь) на электрические и Фотоэлек-

и

трические параметра делегированных пленок a-Si:Н. Получено, что с повшениек Т Фотопроводимость постепенно уненышась, а тем-козая проводимость сначала не менялась, а потом падала.

Объясняется это тем, что при отнге нелегированных пленок в результате выхода слабо связанного водорода сначала образуются нейтральные одиночные оборванные связи, уровни которых располо- . хеш в середине запрещенной зоны; являясь центрами р&кокбивдии для неравновесных носителей заряда, они унеьышзт фотопроводимость и слабо влияют на полокние уровня Ферми. При более енсо-ких температурах отжа, когда начинается сильная эФ?узш водорода, концентрация ОС увеличивается, уровень Феркк снедается вглубь зоны, проводимость падает.

В.разделе 2 Л приведены результата издарения проводимости (у легированных бором и фосфором пленок a-5i:H, использзованнкх для дальнейших исследований. В области высоких температур Т>Т£ (Т£=350"С для а-Si:Н(В), 1,=ШаС для a-Si:K{P)) бг не зависит от тепловой предыстории пленки, от скорости охлаждения и нагревания и соответствует равновесной проводимости, которая описывается -экспоненциальной зависимость®

МТ) =^ехр("Еб-/кТ) ' (7)

с одной энергией активации Eíp!(E/"Ev')7-_¿1 и предэкспоненциальным ннохителем б0.

• При Т(Т£ проводимость 'зависит от скорости и направления изменения температуры. Возникает гистерезис, который связан с тем, что при понихении температуры скорость установления равновесия в системе "дефект-примесь" уменьшается, структура "замораживается^ возкош возникновение неравновесной повышенной проводимости. ,

Раздел 2.2 посвящен изучен® влияния на ^свойства пленок a-Si: К (В) мощзго светового облучения (5 Вт/смг). Исследовались пленки, облученные при разной суммарной плотности падщеи энергии и в различных решах.

После облучения проводимость пленок возрастала (до 100. раз), энергия активации уменьшалась (от 0.71 до 0.56 зВ). Изменения параметров не зависели от того, с какой стороны производилось облучение:-со Стороны пленки или'со стороны подлош. Зто позволило сделать заклачение об - о&Ъемнон характере наблвда-екых изменений и термическом характере воздействия света; на . последнее указывает такхе совпадение результатов с приводимым ниже (см. разд.2.3} случаем тепловой обработки пленок.

Для контроля структура исследовании пленок a-Si:Н (В) были измерена спектра комбинационного рассеяния, которые показали отсутствие кристаллической Фазы. С увеличением дозы облучения набадалось лишь налое смецение пика ТО моды аморфной дон в • область более высоких частот и слабое уменьшение полуширины пика.

Описанные изменения наблэдались в пленках a-Si:й(В), выращенных на подложках, ттредставлящих собой структуру Si0.,/c-5i/Si0.,. В пленках, внрщенннх на подлогах из кварцевого стекла, изменения под действием ноцного облучения не происходили или были очень калы. По-видимому, это связано с особенностям поглощения света раздай подлошми.

Раздел 2.3 посвящен исследовании влияния высокотемпературного огхига на электрические и фотоэлектрические свойства легированных бором и фосфором пленок a—Sí:Н.

В плежах a-Si:H(B) под влиянием термического отита при Т3 (Т<450*С (Тг - температура подлони при осахдении пленки) увеличивается цроводииость и фотопроводимость, уменьшается энергия активации текновоя проводимости. Изменения бг, бр, ls увеличивайся с повышением температуры отжа.

Полученное состояние пленок a-Si:H(B) с повышенной проводимостью достаточно'стабильно-'при комнатной-температуре, т.е. велико время его релаксации: за 6 месяцев изменения проводимости составили 10-201; после повторного воздействия величина проводимости опять возрастала.

Отжиг при Т3<Г<459°С легированных,донором пленок, имевдих высокую проводимость,, приводил не к повышении, а к небольшому поншенш проводимости. Зтот здоект не зависел от толщины пленок.

Наблюдавшиеся э^ектн когут быть объяснены следушрм образом. В исходных пленках a-Si:H(B) имеются электрически неактивные атомы бора, взаимодействуйте с располохенными вблизи атомами водорода, связанными с крекниен; во время отита при ,Т>Т. происходит электрическая активация атомов бора, обусловленная структутнои перестройкой, связанной с уходом водорода из близ-лещих связей. В.исходных пленках a-Si:Н(Р), имещих высокув проёодииость, пассивация атомов Босфора мала, они входят в решетку четырехкоордишрованшни электрически активными или трех-коордшдаровшшнки, не взаимодействуя с водородом; во время отнята активация атомов pocfopa практически не происходит и про-

-Í3

во дикость не увеличивается, а меняется аналогично случав нз легированных пленок (см. разд.Í.б).

Отжиг пленок a—SI;НfВ> и a—Si:Н(Р) при более высоких температурах (Т>45(ГС) приводил к резкому понижению проводимости и увеличения энергии активации, что объясняется з^узкеи водорода из пленок и связанными с эти« структурвдии перестройками.

Изменения свойств пленок, вызванные термическим воздеистви- ' ем, не зависели от вида подлош" (кварц или SiOJc-Si/SiOJ.

Обнаружено, что в пленках a~Si:H г и р-тйпа, отокешшх • при ТШ°С, в области низких температур (Т<256 К) становится заметной пршковая проводимость по состояниям вблизи уровня Ферми, возникновение которой обусловлено значительный увеличением концентрации дефектов. По температурным зависимостяк б^ехр [(UD*4 ] зтои проводимости для пленок п-тила определен параметр Нотта Тр и проведена оценка плотности состояний в окрестности уровня .Ферик: W9 зВ^см"*; полученное внсокое значение плотности состоянии иохет указывать на практически полную заузив водорода кз пленок в результате отжига.

Было обнаружено, что после отхига при Т>Т3 и после мощного светового облучения в легированных пленках a-Si:H(B) и a-Si: В (Р) укеныается и пропадает температурный гистерезис тек-новои проводимости - мэтастабильное увеличение бг, возникающее при "закалке*.пленки - т.е. поведение 6. (Т) .обработанной пленки переставало зависеть от скорости и направления изменения температуры. Этот эффект кохет объясняться уменьшением времени релаксации системы "дефект-примесь5 в результате увеличения концентрации оборванных связей в пленке после термического воздействия.

В заключении диссертации сформулированы основное результаты работы и выводы:

I. Исследована кинетика образования метастабильннх оборванных связей (ОС) при освещении белым свэтон (Ь-ШиВт/си1) нелегированных пленок a-Si:H в интервале температур 150-350 К. . Í) Обнаружено, что в нелегированных пленках a-Si:H кинетика образования ОС под влиянием освещения зависит от предварительной обработки пленки:

В предварительно отожженной в. темноте пленке концентрация $ото~ индуцированннх ОС N в интервале температур Í50 - 350 К зависит от времени освещш как NH, что обусловлено захватом в про-

цессе образования ОС одного носителя (электрона или дырки} в хвост соответствующей зонн на состояние слабой связи Si-Si (ко-юиолекуляршй механизм).

В той ie пленке после предварительной засветки ее при повнкен-ной температуре наблэдаегся кубическая .зависимость (N^t) концентрации $отошдуцированннх ОС от времени освещения, которая обусловлена захватом электрона и дырки на состояние одной слабой связи (бимолекулярный механизм). 2) Обнарушга, что элективная скорость образования ОС в случае нономолекулярного механизма имеет акпшационнуи температурнуз зависимость с двумя энергиями активации: Е=0,15 эВ в области ÏÏ303K и £=0,35 зВ при Т)388К. Изменение энергии активации мозет быть объяснено сменой уровня захвата носителей: при низких температурах образование ОС идет, в основном, за счет захвата электронов на состояния слабых связей в хвосте зоны проводимости, а при ТШК - за счет захвата дырок на состояния в хвосте валентной зонн.

Установлено, что бимолекулярный процесс образования ОС в предварительно освеженных пленках является безактивационннм. -Эти экспериментально установленные температурные зависимости согласуется с теоретическими расчетами Шуцмана.

. И. Исследована кинетика изменения концентрации метастабиль-нвх оборванных связей при длительном «сведении нелегированных пленок a-Si:H белим светом разной интенсивности в области температур Т - 340 - 440 Kf когда сравнимы скорости процессов образования и опита Фошндуцированшх ОС и устанавливается стационарная величина концентрации ОС -

1)Установлено, что в нелегированных пленках a-Si:H стационарная концентрация N. при" заданных температуре и интенсивности освещения является характеристикой образца, не зависящей от его предыстории.

2) Установлено, что температурная зависимость стационарной концентрации Н. имеет энергии активации i27 эВ, не зависнув от интенсивности света. При данной температуре 11 связано с интенсивность;! степенным законом с

3) В предположении бимолекулярного механизма образования иетас-табильных ОС в условиях наощения (после длительного ссведения), из установленных зависимостей МП и Ns(li) следует, что процесс отжига ОС в условиях освещения является могоколехулярным и зк-

споненциально зависит от температуры с элективной энергией активации 0,81 эВ.

Ш. Исследована кинетика теннового отхига нелегированных пленок ü~Si:H при разных температурах.

1) Обработка шетш отхига фотоиндуцированннх ОС при тенпера-турах Т' выше температуры освещения (T<t.) в предяошхеяш; справедливости модели Штуннана иономолекулярного отжига с рас-пределенкеи энергия активации h процесса опита ^оташдуцк?о-ванных состоянии в некоторой интервале энергии показала, что максимум распределения £«, находится в области 1,0-1,1 зБ. Показано, что положение этого максимума зависит от температуры образования ОС..

2) Показано, что отгиг нелегированных пленок при ТУЕ, (Т. - температура порош при осахденин пленки) .приводит к" уменьшен® тенновой и фотопроводимости; это обусловлено образованием ОС вследствие эффузии водорода.

Г/. Исследовано влияние высокотемпературного отхига при 'Т <Т(566°С и сильного светового облучения с плотности; потока 5 Вт/с$2) на свойства пленок a-Si:H, легированных бором н фосфором.

1) 'Обнаружено^ что б'пленках "a-Si: К (В) под влиянием сильного облучения или orara при Т£<Т<45ГС увеличивается проводимость к фотопроводимость, уменьшается энергия активации тенновой проводимости; при этом максимум пика аморфной Фазы в спектрах комбинационного рассеяния снедается в сторону больших частот. Показано, что зтот Эффект является объемным и связан с увеличением концентрации электрически активных атомов бора. Показано, что в случае мовдого облучения светом воздействие на пленку является термическим и зависит от особенностей поглощения света подшкои.

Полученное состояние пленок a-Si:Н(В) с повышенной проводг ностьв стабилью при комнатной температуре. 2} Установлено, что отхиг при Т>Т. пленок, -легированных фосфором, ведет не к повышеши, а к небольшому шипению их проводи-кости. Этот эффект не зависит от толмны пленки.

3) Предложено качественное обЬяснеше наблюдавшихся эффектов. Оно основано на предполоюнии о наличиии в исходной пленке a-Si:H(B) электрически неактивннх атомов бора, располохенннх

вблизи атомов водорода, связанннх с кремнием, и о слабой пассивации атомов Фосфора в a-Si:Н.

4) Установлено, что под влиянием вксоше'мшгатурного отжига (Т)458^) проводимость пленок сильно уменьшется и увеличивается энергия активации темновой проводимости. Эти изменен!«! вызваны эффузией водорода из пленок и связанными'с этим структурными пе~. рестрояками.

5) Обнаружено, что в пленках a-Si :Н г и р-типа, отоиенных при ТШ°С, б области низких температур (Т<259 К) становится заметной прнковая проводимость по состояниям вблизи уровня Ферми, •возникновение которой обусловлено значительным увеличением концентрации дефектов. Проведена оценка величины плотности состо- ■ яния в окрестности уровня.Фврии: Ш^зп^сн'^-,

6) Обнаружено, что в легированных бором и фосфором пленках

■ a-Si: Н» подвергнутых ионному, световому облучению или отжу при ' Т >TS, пропадает температурный гистерезис темновой проводимости. Этот здеект мотет объясняться уменьшением времени релаксации система "де$ект-примесь" в результате увеличения концентрации оборванных связей в пленке после термического воздействия.

Основные материалн диссертации отражены в следшвх публикациях:

1. Курова И;А.-, Кележо Н.З.,-Ормонт Н.Н, Дроздов H.A., Коробов . O.E., Лупачева А.Н. З^ект Стеблера-Врокского в нелегированных, легированных и компенсированннх пленках a-Si:H. // Всесоюзное соведант® • по возобновляемым источникам энергии

- Гелендш, 1988, с. 75.

2. Вавилов B.C., Остробородова В.В., Курова И.А., Ормонт H.H., Погарина E.H., йелеико Н.В., йочалова Д.А., Клименко Е.А. Изучение механизмов деградации Фотоэлектрических слоев и структур на основе a~5i:H и a~SiC:H. - Отчет по хоздоговорной теме 45/BÖ // Ii, МГУ, 1988, 87 с.

3. Курова И.А., 1'елешко Н.В., Ормонт H.H., Лупачева А.Н. Кинетика здоекта Стеблера-Вронского в нелегированннх пленках a-Si:H И Щ 1989, т.23, Nil, с.2030-2033.

4. Курова И.А., Келепко Й.В., Ормонт H.H., Лупачева А.Н. 'Образование и отхиг метастабильннх $отоиндуцированных дефектов в нелегированннх: пленках a-Si:H // Совеаание-семинар "Амордаз полупроводники и диэлектрики на основе кремния з электронике', Научного Совета АН СССР, Одесса, 1989, с.64.

5. Звягин И.П., Курова И.А., Нелегко Н.В., Ормонт H.H.

О механизмах образовании Фотощуцированнзх дефектов б неле-гярованных пленках a-SI:H // ФТП, 1998, т.24, N10, с. 1726-1731.

6. Звягин.К.П., К>рова И.А., Кележо Н.В., Орнонт Н.Н. Насыщение ^отопроаодииости и особенности аннигиляции фото-. стимулированию дефектов в нелегированных пленках a-Si:H // ФТП, 1998, т.24, N11, с. 1992-1994.

7. Звягин И.П., Курова И.А., Кележо Н.В., Оргюнт Н.Н,

О механизмах изменения энергетического спектра, индуцированных неравноБеснкш носителями заряда, б неупорядоченных полупроводниках // Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Киев, Наумова душ, 1990, сЛ4В.

8. Звягин Й.П., Курова Й.А., Нелегко Й.В., Ормонт Н.Н.

. • Влияние предварительного освещения на процесс $отсиндуциро-ванного образования оборванных связей в e-Si:H // Взстн. МГУ, сер.З (Физика, Астрономия), 1991, т.32, N1, 0.97-160.

9. Курова И.А., Лупачева А.Н., Мелено Н.В., Орконт Н.Н.,

. -Авакянц Л.П. Электрические свойства пленок a-Si:Н(В), облученных щтш световыми иипуяьсаж // fíO, 1994, т. 28, Ш, с.120-124.

10.Курова И.А., Лупачева А.Н., Мелешко Н.В., Ларина Э.В. Влияние теплового отхига на фотоэлектрические свойства

■ легированных бором пленок-a-SkH- // Щ 4994,-т.28, N5.

©ТИРОВАННАЯ ШЕРШРА

1. Джексон У., Какаякос Кинетика образования кетаста-бильных дефектов. В кн. "Аморфный кремнии и родственные материалы' // й. Мир, 1991, с.144

2. Staebler D.L., Wronski C.R, //Appl.Phys.Lett., 1977, v.3Í, р.292.

3. Stutsaann К., Jacteoii tí.В., Tsai С.С. // Phys.Rev., 1985, V.B32, р.23.

4. Stutsaann й.' // PiiiUiag, Í9B7, v.B56, Ni, p.63.