CC BY
10Фотопроводимость и механизмы рекомбинации в пленках а - Si: H
Нальгиева Мадина Алихановна,
к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, Ингушский государственный университет, [email protected]
Торшхоева Зейнап Султановна,
к.ф.-м.н., зав. каф. общей физики ИнГУ
Мартазанова Лидия Магомедовна,
доцент кафедры общей физики ИнГУ
Сагова Мария Саиповна,
ст. преподаватель кафедры математики и ИВТ ИнГУ
Зурабов Абдул-Мажит Макшарипович,
ст. преподаватель кафедры теоретической физики ИнГУ
Исследованы температурные зависимости фотопроводимости и механизмы рекомбинации в легированных пленках а-Si: H. Исследуя фотопроводимость и рекомбинации в пленках можно сделать вывод, что несмотря на эффективную пассивацию водородом, концентрация оборванных связей в а-SkH велика. Поэтому они играют существенную роль в процессах рекомбинации, захватывая неровновесные носители обоих знаков.
В отожженных пленках a-Si:H п- и р-типа в области температур от 90 К до 380 К наблюдается слабая фотопроводимость, которая имеет неактивационный характер. При температурах выше 150 К фотопроводимость увеличивается с увеличением температуры. Это может указывать, что в этой облати температур фотопроводимость зонная, а рекомбинация свободных носителей осуществляется путем захвата неравновесных носителей из зоны на оборванные связи кремния.
При температурах ниже 125 К фотопроводимость слабо зависит от температуры стремясь к насыщению. Возможно, что при уменьшении температуры ниже 125 К становится все более заметным вклад прыжковой фотопроводимости, которая практически не изменяется с понижением температуры.
Ключевые слова: фотопроводимость, механизмы рекомбинации, зонная фотопроводимость.
В последние годы возрос интерес к изучению электронных свойств аморфного гидрогенизиро-ванного кремния а-БШ, в связи возможностью изготовления на его основе дешевых и эффективных преобразователей солнечной энергии.
Проведенные исследования позволили достаточно надежно установить,что основным структурным точечным дефектом в а-БШ, от-вественным за глубокие уровни в псевдозапре-щенной зоне, является оборванная связь,которая ведет себя как трехзарядный центр с положительной двухэлектронной корро-лиционной энергией и [1; с. 117].
В основном состоянии такие связи электрически нейтральны, и на них локализованы одиночные неспаренные электроны, о чем свидетельствует многочисленные измерения термодинамически равновесного сигнала ЭПР [2; с. 220].
Неравновесные носители можно создать освещая полупроводник. Убедиться в их возникновении можно по изменению электропроводности полупроводника. При равенстве энергии фотонов и ширины запрешенной зоны неравновесные электроны и дырки образуются как результат возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Однако при наличии примесей, фотопроводимость может возникать и при hv < Ед. При Л V < ЕаЕ генерируются и электроны и дырки ,и фотопроводимость становится биполярный. При Л V > Ес - Еа становится возможным оптический заброс электронов из валентной зоны на незанятые акцепторные уровни, т.е генерация дырок (а не электронов), и возникает примесная монополярная фотопроводимость р-типа.
При hv >> Ес-Еа происходит возбуждение электронов, первоначально связанных на примеси, в зону проводимости, и мы имеем случай примесной оптической генерации, и соответственно примесной фотопроводимости. Если при этом hw < Еа-Еу, то генерации свободных дырок не происходит вовсе, и фотопроводимость оказывается монополярный.
Несмотря на эффективную пассивацию водородом, концентраци оборванных связей (й-центров) в а-БШ достаточно велика, и по дан-
О 55 I» £
55 П П
о ы
а
s
«
а б
ным ЭПР, составляет от 51015 до 10 см-3 [3; с. 1050], поэтому они, несомненно, играют существенную роль в процессах рекомбинации,захватывая неравновесные носители обоих знаков. К настоящему времени, однако, не существует единой точки зрения относительно механизмов рекомбинации в а-БШ при достаточно высоких (Т>77К) температурах. По этому поводу были высказаны взаимоисключающие суждения. Кроме того, ясно, что в таком неупорядоченном материале, как а-БШ не малое значение приобретают уровни, расположенные вблизи порогов подвижности, которые могут не только ограничивать подвижность и концентр-цию свободных носителей, но и участвуя в туннельных переходах, в значительной степени влиять на скорость рекомбинации через глубокие центры. Предпринято исследование стационарных и переходных характеристик фотопроводимости.
Темп оптической генерации представляется в виде
q = v(w) y(w) l(x)
где v(w) - квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей, рождаемых в среднем одним поглощенным фотоном. Если v(w)>1,to при поглощении одного фотона возникает две или более электронно-дырочных пар. Изменение проводимости полупроводника обусловлено тем, что при освещении изменяются как концентрация электронов и дырок, так и их подвижности. Влияние изменения подвижности проявляется лишь при низких температурах. d Аа/dt = e ф p+y n ) q - Аа/т
Из уравнения видно, что, характерные время т есть время релаксации фотопроводимости, которое определяет темп установления затухания Аа. Исследованные образцы а-БШ были получены в плазме тлеющего разряда при температурах подложки от 180 до 290°С. Концентрация водорода изменялось от 7 до 14 ат %. Практически весь водрод, по данным ИК спек-торскопии, находился в состояниях Si-H. Толщина пленок d определялась по интерференционным максимумам спектров отпического пропускания и составляла 1/1.5 мкм. Хромовые контакты длиной около 5мм напылялись на подложку из кварцевого стекла до нанесения пленок.
Измерения проводились в атмосфере азота после термообработки в вакууме при 200°С. В качесве источника возбуждения использовался фосфидкаллиевый светодиод с длиной волны 0.685мкм. было выполнено условие однородного возбуждения a d<1, где а- коэффициент поглощения света, который в наших условиях практически не зависел от температуры. Интенсивность падающего на образец света определялась с помощью кремниевого фотоприемника.
Управление процессом измерения стационарной ФП и ее спада после выключения возбуждения,регистрация предварительно усиленного сигнала и обработка данных осуществлялись с помощью ЭВМ НР-9845.
ю-4
ю'
10
2 4 6 8 Ю ioVT, К
Рис. 1. Температурная зависимость ФП a-Si:H
т, с 10 1
Ю-3
10
](Г
10 10
1010"
' <
'■С <
101 10-
Рис.2 Кинетика релаксации ФП и переменная зависимость спада ФП при Т=250К
На температурной зависимости ФП (рис.1) видны три характерные области. При самых низких температурах фототок возрастает по закону Аррениуса с энергией активации близкой к 0.1 Эв, а показатель степени люксамперной характеристики при этом практически равен 1. В области промежуточных температур, фототок слабо зависит от температуры, причем по -прежнему остается линейной. При высоких температурах наблюдается рост ФП с энергией активации, которая при низкихуровнях возбуждения составляет 0.32 эВ, а при высоких- 0.16 эВ. Показатель степени в этой области температур примерно равен 0.6.после выключения возбуждающегося света ФП, по крайней мере начиная со времен порядка 510 -5 с, сравнительно медленно уменьшалась с течением времени t. Ее спад подчиняется закону, где показатель степени медленно увеличивается, с течением времени приближаясь к единице. Иными словами, мгновенное время релаксации ФП возрастает таким образом, что при достаточно больших временах наблюдается бимолекулярный закон тОписанные выше закономерности стационарной ФП и кинетик ее спада не укладываются
в рамки ни одной из известных нам моделей рекомбинационных процессов в а-S^ [4; с. 117].
Рис.3. а) Плотность состояний в запрещенной зоне а-Э1:Н; б) схема электронных переходов.
Для объяснения полученных результатов предлагается простейшая схема состояний в запрещенной зоне (рис. 3). Мы предлагаем, что основным рекомбинационным центром является оборванная связь й, различным зарядовым состоянием которой отвечают неоднократно наблюдавшиеся пики плотности состояний А и В (рис. 3, а). Эти пики как и локализованные состояние хвоста зоны проводимости, будем для простоты считать моноэнергетическими уровнями (рис.3, б). Состояние хвоста валентной зоны в нашем случае, по-видимому, не играют существенной роли, поскольку изученных нами образцов концентрация оборванных связей N достаточно велика.
Рожденные светом (процесс 1, рис.3) неравновесные свободные дырки быстро захваты-ваюся на уровни й0, заряжая ихположительно (процесс 2, рис.3).
Неравновесные свободные электроны, концентрации которых п, могут либо рекомбинировать с локализованными на й-центрах неравновесными
дырками (процесс 3), либо захватываться на уровни D (процесс 4), заряжая их отрицательно. Будучи локализованным на D-центре, электрон может туннельным образом прорекомбинировать с дыркой, локализованной на другом центре D-центре, по схеме (процесс 5).
Кроме того, свободные неравновесные электроны на мелкие уровни t, концентрация которых Nt (процесс 6) так что обратное время термического выброса электронов с мелких уровней t (процесс 7) в зону проводимости. [5; с. 55].
Заполнение локализованных состояний неравновесными носитеями слабые, мы в дальнейшем не будем учитывать туннельные переходы между электронами, локализованными на уровнях.
Таким образом, исследуя фотопроводимость и рекомбинации в пленках а-Si: H можно сделать вывод, что несмотря на эффективную пассивацию водородом, концентрация оборванных связей в а-Si:H велика. Поэтому они играют существенную роль в процессах рекомбинации, захватывая не-ровновесные носители обоих знаков.
При температурах выше 150 К фотопроводимость увеличивается с увеличением температуры, что указывает на зонный механизм фотопроводимости, а рекомбинация свободных носителей осуществляется путем захвата неравновесных носителей из зоны на оборванные связи кремния.
При температурах ниже 125 К фотопроводимость слабо зависит от температуры стремясь к насыщению. Возможно, что становится более заметным вклад прыжковой фотопроводимости, которая практически не изменяется с понижением температуры.
Литература
1. Balagurov L. A., Kute Ya.A. Ya. Et al., "Features of recombination in amorphous hydrogenated silicon", v. 19, Vol. 6, p. 1046.
2. Kuznetsov S.V. // Recombination in a-Si: H p- and p-type .// Proceedings of the International Conference "Optics of Semiconductors", 2000, Ulyanovsk, p. 116.
3. Kurova I. A., Nalgieva M. A., Ormont N. N. // Influence of high-temperature annealing in the flow of hydrogen on the properties of a-Si: H films .// Theses of lectures and reports of the 3 rd Russian school uch. and young specials. in physics, materials science. and the technology of obtaining Si and prib. structures on its basis "Silicon. School-2005 », 2005, p.114.
4. Kurova I. A., Nalgieva M. A., Ormont N. N. // Electric and photoelectric properties of a-Si: H films subjected to high-temperature annealing in hydrogen. // Bulletin of the Moscow State University, Series 3, Physics. Astronomy, 2005, №4, p. 54-57.
О R U
£
R
n
5. Stys L. E., Voigel M. G. // Features of donor-acceptor recombination in weakly doped compensated semiconductors. // FTP, 1985, v. 19, c. 2, p. 217 - 223.
Photoconductivity and recombination mechanisms in a-Si: H films
Nalgiyeva M.A., Torshkhoyeva Z.S., Martazanova L.M., Sagova M.. , Zurabov A.-M.M.
Ingush state university
The temperature dependences of photoconductivity and recombination mechanisms in doped a-Si: H films were studied. Investigating photoconductivity and recombination in films, it can be concluded that, despite effective passivation with hydrogen, the concentration of broken bonds in a-Si: H is large. Therefore, they play an essential role in the recombination processes, capturing the unequal carriers of both signs. In the annealed a-Si: H p- and p-type films, weak photoconductivity is observed in the temperature range from 90 K to 380 K, which has an inactive character. At temperatures above 150 K the photoconductivity increases with increasing temperature. This may indicate that in this temperature region the photoconductivity is band-shaped, and the recombination of free carriers is realized by the capture of nonequilibrium carriers from the band to dangling silicon bonds. At temperatures below 125 K the photoconductivity depends little on temperature, tending to saturation. It is possible that as the temperature decreases below 125 K, the contribution of hopping photoconductivity becomes more appreciable, which practically does not change with decreasing temperature.
Key words: photoconductivity, recombination mechanisms, band photoconductivity.
References
1. Balagurov L. A., Kute Ya.A. Ya. Et al., "Features of recombination in amorphous hydrogenated silicon", v. 19, Vol. 6, p. 1046.
2. Kuznetsov S.V. // Recombination in a-Si: H p- and p-type .// Proceedings of the International Conference "Optics of Semiconductors", 2000, Ulyanovsk, p. 116.
3. Kurova I. A., Nalgieva M. A., Ormont N. N. // Influence of high-temperature annealing in the flow of hydrogen on the properties of a-Si: H films .// Theses of lectures and reports of the 3 rd Russian school uch. and young specials. in physics, materials science. and the technology of obtaining Si and prib. structures on its basis "Silicon. School-2005 », 2005, p.114.
4. Kurova I. A., Nalgieva M. A., Ormont N. N. // Electric and photoelectric properties of a-Si: H films subjected to high-temperature annealing in hydrogen. // Bulletin of the Moscow State University, Series 3, Physics. Astronomy, 2005, №4, p. 54-57.
5. Stys L. E., Voigel M. G. // Features of donor-acceptor recombination in weakly doped compensated semiconductors. // FTP, 1985, v. 19, c. 2, p. 217 - 223.
U
a
s
«
a б
