Метастабильность состояния в легированных бором и фосфором пленках a-Si: H, возникающие под влиянием внешних воздействий

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 порядкомво-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-машинахфоторецепторы 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 диаграммоймедленные 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 ФЭАПнаблюдается 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 диаграммоймедленные 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.

Выводы.

I. Исследованы процессы образования и релаксации фотоиндуцированных метастабильных состояний (ФМС) в легированных бором и фосфором пленках а-вШ.

1). Установлено, что при определенных условиях освещения легированных пленок а-8кН (интенсивности и длительности освещения, температуры пленки) наблюдается немонотонная кинетика изменения темновой проводимости съ во время и после освещения пленок. Показано, что такая кинетика изменения аа обусловлена образованием двух типов ФМС — быстрых и медленных.

2). Обнаружено, что зависимости скоростей образования быстрых и медленных состояний от интенсивности освещения и температуры пленки различны.

3). Показано, что кинетика релаксации быстрых и медленных ФМС описывается растянутыми экспонентами, а их сумма — суммой растянутых экспонент с различными по величине и температурной зависимости параметрами — временами релаксации г и параметрами /3.

4). Показано, что установленные особенности процессов образования и релаксации быстрых и медленных ФМС обусловлены различной их природой и механизмами — образования. Быстрые ФМС, механизм образования которых описывается двухуровневой конфигурационной диаграммой — это фотоиндуцированные оборванные связи кремния (ФОС). Медленные ФМС, образование которых описывается трехуровневой конфигурационной диаграммой — это фотоиндуцированные электрически активные атомы примеси (ФЭАП). Различие в температурных зависимостях параметров (3 быстрых и медленных состояний связано 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.

II. Исследовано влияние высокотемпературного отжига (Га>7х) на электрические и фотоэлектрические свойства легированных бором пленок а-БкН и на процессы образования и релаксации фотоиндуцированных метастабильных состояний в них.

1). Обнаружено, что отжиг пленок а-8Ш (В) при ^<�Га<380°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-8Ш (В) в результате образования термоиндуцированных метастабильных электрически активных атомов бора с большой энергией отжига ~2 эВ.

2). Исследования процессов образования и релаксации фотоиндуцированных метастабильных состояний (ФМС) в пленках, отожженных при Га<400°С показали, что характер кинетики их образования и релаксации не изменяется по сравнению с неотожженными образцами. Параметры релаксации т, Еа и /? изменяются в соответствии большей концентрацией электрически активных атомов бора в отожженных пленках.

3). Показано, что в отожженных при Га>400°С пленках а-8Ш (В) существенно увеличивается концентрация ОС, что приводит к проявлению прыжковой проводимости, которая хорошо описывается законом Мотта с показателем степени п = 4, то есть наблюдается прыжковая проводимость по локализованным состояниям оборванных связей кремния вблизи уровня Ферми. Оценка концентрации ОС дает значение р (Е) соответствующее литературным данным для практически полностью дегидрогенизированного аморфного кремния.

4). Установлено, что в пленках а-81:Н (Р) релаксация ТМС, образованных закалкой от температуры, близкой к температуре установления равновесия — Те, описывается растянутой экспонентой с параметрами релаксации т и Д.

Показано, что параметр /5 практически постоянен с температурой, что определяется отличным от ФМС механизмом образования ТМС и согласуется с практически постоянной полушириной начального распределения ТМС по энергиям отжига.