Локализованных состояний

[ 149, 150]. Поскольку этот метод является "нулевым", т.е. интенсивность дифрагированного света перед возбуждением равна нулю, он очень чувствителен к небольшим изменениям показателя преломления. Анализ экспериментальных результа-1ов показывает, что процесс фотопотемнения можно объяснить с помощью модифицированной модели потенциала с двумя минимумами, в которой возбужденные алскгроны движутся по подвижным состояниям и релаксируют до состояния фото-иотемнения в основном .состоянии через локализованные состояния вблизи середины запрещенной зоны.

3.6.4. Зонная диаграмма для объяснения динамики фотопотемнения 1142] •. 1 - проводящие состояния; II - локализованные состояния; III - состояния, отвечающие За фотопотемнение

Эта модель по сути аналогична предложенной Танака [155] модели потенциала с двумя минимумами в основном состоянии. Однако в настоящей модели возбужденные носители релаксируют до состояния фотопотемнения через локализованные состояния вблизи середины запрещенной зоны. Кроме того, в настоящей модели не обязательно присутствие высокой плотности локализованных состояний [155], так как они не являются финальной стадией в процессе фотопотемнения.

где По и »i — концентрации носителей в "размытых" состояниях и в мелком локализованном состоянии соответственно; Р — вероятность повторного возбуждения на мелком локализованном состоянии; т\,т2 - времена релаксации при переходе с делокализованных состояний на мелкие и глубокие локализованные состояния соответственно. Вероятность Р зависит от температуры, тогда как т i и Г2 зависят преимущественно от плотности локализованных состояний. Расчетные кривые показана сплошными линиями на 3.6.9 при различных Р, когда TI = 100 пс и т2 = = 3,3 мкс; последние значения экспериментально оценивались из 3.6.10 и 3.6.8 соответственно. Расчетная кривая находится в удовлетворительном согласии с экспериментальными результатами для составляющих быстрого и медленного спада при^ = 1,2 • 1010 с"1. Вероятность Р выражается уравнением:

где vpfl, W, k и Т - соответственно частота попыток (i013 с'1) [167], энергия активации на мелком локализованном состоянии, константа Больцмана и абсолютная температура (300 К). Из уравнения (3.6.22) с учетом экспериментального результата Р= 1,2 • 10'° с~', можно оценить значение W(W~0,4 эВ). Полученное значение W хорошо согласуется с экспериментальным результатом при измерении дрейфовой подвижности [158]. В рассматриваемой модели постоянные времени быстрого и медленного спада на 3.6.9 зависят в основном от времени релаксации с делокализованных состояний на мелкие и глубокие локализованные состояния соответственно. На составляющую медленного спада влияет также вероятность повторного возбуждения с мелкого локализованного состояния. В данной модели температурную зависимость интенсивности составляющей медленного спада можно качественно объяснить небольшими изменениями вероятности повторного возбуждения. Тот факт, что до оптического освещения составляющая быстрого спада не наблюдалась, в рамках модели объясняется небольшим количеством мелких локализованных состояний, что приводит к большой величине т i.

При температуре выше комнатной наблюдается линейная зависимость логарифма проводимости от Г"1/4. Такая температурная зависимость проводимости была подсказана [40, 41] для перескока электронов с переменной длиной прыжка через локализованные состояния вблизи уровня Ферми и, как указывали Поллак и др. [42], должна наблюдаться даже при высоких температурах, пока локализованные состояния расположены с широким'разбросом в зазоре подвижности. Помимо зависимости проводимости от Т~1/4, о переносе носителей по прыжковому механизму с переменной длиной прыжка свидетельствуют проводимость на переменном токе [43] и температурная зависимость коэффициента Зеебека [1,44].

Наличие плотных локализованных состояний подтверждается высоким оптическим поглощением в широком диапазоне энергий фотонов. Образование плотных локализованных .состояний объясняется еле-, дующим образом. В осажденных из газовой фазы аморфных пленках содержание бора очень велико; бор, имеющий три направленные связи, будет легко входить в атомную решетку. Три связи бора обеспечивают свободу образования непрерывной случайной сетки (НСС) и ее стабилизацию. Стабильность НСС подтверждается термостойкостью материала. В то же время большое различие атомных радиусов составляющих элементов вызывает напряжения. В результате, согласно Андерсону [45]^ увеличивается флуктуация потенциала и появляются локализованные уровни, распределенные в широком диапазоне. Плотные локализованные состояния, образующиеся внутри псевдозоны, взаимодействуют между собой. В случае токовой проводимости это приводит к перескоку электрбнов через эффективные переменные расстояния (участки).

Измерения ЭПР показывают низкие значения спиновой плотности. Эти результаты могут быть объяснены при допущении, что локализованные состояния на низких энергетических уровнях заняты спаренными электронами, а большинство других локализованных состояний на более высоких энергетических уровнях свободно. Предполагается, что уровень Ферми находится достаточно далеко от краев делокализо-ванных состояний или валентной зоны и составляющая тока, вызванная движением носителей через делокализованные состояния, ничтожно мала. Поскольку число имеющихся свободных электронов значительно ниже, чем у обычных металлов, уровень Ферми находится так глубоко, что эффективная работа выхода имеет большую величину. К сплаву Si-Ge-B скорее применима модель зонной структуры полуметалла [46], а не полупроводника. С этой точки зрения представляет интерес тот факт, что составляющие сплав элементы принадлежат к металлоидной группе.

[ 149, 150]. Поскольку этот метод является "нулевым", т.е. интенсивность дифрагированного света перед возбуждением равна нулю, он очень чувствителен к небольшим изменениям показателя преломления. Анализ экспериментальных результа-1ов показывает, что процесс фотопотемнения можно объяснить с помощью модифицированной модели потенциала с двумя минимумами, в которой возбужденные электроны движутся по подвижным состояниям и релаксируют до состояния фото-потемнения в основном .состоянии через локализованные состояния вблизи середины запрещенной зоны.

3.6.4. Зонная диаграмма для объяснения динамики фотопотемнения 1142] •. 1 - проводящие состояния; II - локализованные состояния; III - состояния, отвечающие За фотопотемнение

Эта модель по сути аналогична предложенной Танака [155] модели потенциала с двумя минимумами в основном состоянии. Однако в настоящей модели возбужденные носители релаксируют до состояния фотопотемнения через локализованные состояния вблизи середины запрещенной зоны. Кроме того, в настоящей модели не обязательно присутствие высокой плотности локализованных состояний [155], так как они не являются финальной стадией в процессе фотопотемнения.

Наличие локализованных состояний в запрещенной зоне и их распределение по энергиям существенно влияют на электрофизические, оптические и другие свойства некристаллических полупроводников. В свою очередь, количество, а также распределение локализованных состояний по энергиям определяются взаимным расположением атомов, или атомной (молекулярной) структурой материала. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов некристаллических полупроводников приводит к тому, что при одном и том же химическом составе материала его структура (взаимное расположение атомов), а следовательно, и свойства могут быть различными. Эта особенность некристаллических полупроводников, с одной стороны, позволяет управлять при неизменном химическом составе свойствами материала, изменением его структуры в процессе изготовления образцов, а с другой стороны, делает необходимым при производстве приборов на основе некристаллических полупроводников контролировать не только химический состав, но и атомную структуру исходного материала.

Известные сравнительно давно пленки аморфного кремния не имели, однако, какого-либо серьезного практического применения, что было обусловлено в первую очередь невозможностью управления их свойствами, поскольку образование некристаллической трехмерной сетки атомов приводит к возникновению большого количества разрывов связей между атомами в тех местах, где расстояния между ними существенно превышают длину химической связи. Такие разрывы, называемые точечными дефектами ( 5, а), вызывают появление в запрещенной зоне дополнительных локализованных состояний. Поскольку количество (концентрация) точечных дефектов в пленках аморфного кремния велико, велика и плотность создаваемых ими локализованных состояний в запрещенной зоне.

Легирование, применяемое для управления свойствами кристаллических полупроводников, в этом случае оказывается полностью-неэффективным. Действительно, плотность состояний донорных (или акцепторных) уровней, возникающих в запрещенной зоне полупроводника при его легировании примесью, остается много меньше плотности локализованных состояний, обусловленных дефектами. Поэтому донорные (акцепторные) уровни не оказывают серьезного влияния на свойства некристаллического материала.

пленки ( 5, б), т. е. как бы «залечивает» их и поэтому уменьшается плотность создаваемых локализованных состояний в запрещенной зоне.

Распределения плотности состояний в пленках аморфного кремния, не содержащих (a-Si) и содержащих (a-Si : Н) водород, показаны на 5, в. Сравнивая этот рисунок с 4, г, можно увидеть, что даже в аморфном кремнии, содержащем водород, хвосты валентной зоны, зоны проводимости, а также зона разрешенных состояний в середине запрещенной зоны перекрывают друг друга, образуя непрерывное по энергии распределение локализованных состояний в запрещенной зоне. Однако плотность этих состояний во много раз меньше плотности локализованных состояний аморфного кремния, не содержащего водород. В аморфном кремнии, содержащем водород, плотность состояний примесных (донорных или акцепторных) уровней в запрещенной зоне выше, чем обусловленных дефектами. В этом случае электрофизические свойства пленок аморфного кремния определяются видом и количеством введенной примеси.

Фотоэлектрические свойства пленок o-Si : Н, получаемых высокочастотным ионно-плазменным распылением, несколько хуже, чем пленок, наносимых разложением силана, что обусловлено большей концентрацией локализованных состояний в запрещенной зоне. Вместе с тем метод ионно-плазменного распыления выгодно отличается от метода разложения силана с точки зрения безопасности.

энерг ии фотонов излучения показаны на 8. Как видно из рисунка, для пленки a-Si : Н, кривая сдвинута вправо — в область фотонов большей энергии — и имеет более крутой характер. Это объясняется, с одной стороны, меньшей концентрацией локализованных состояний в запрещенной зоне гидрогенизированно-го аморфного кремния вследствие «залечивания» оборванных связей атомов кремния атомами водорода. С другой стороны,сдвиг рассматриваемой кривой в

Обсуждается роль локализованных состояний в аморфных полупроводниках и их возможное использование в приборах. В конце главы дано краткое обоснование выбора редакционной коллегией тем статей, помещенных в книге, и структура изложения материала.

Возникновение в энергетических зонах локализованных состояний и их электрофизическая активность обусловлены в основном структурой химической связи вблизи дефектов, наличием примесей замещения и внедрения и электронным взаимодействием между подрешетками матрицы. Легирование примесями замещения используется с целью управления типом и концентрацией носителей заряда. А что можно сказать относительно других локализованных состояний? Всегда ли они приносят вред? Их электрофизическая активность проявляется обычно через образование центров рекомбинации и ловушек носителей заряда. Для подвижности носителей заряда в приборах, основанных на дрейфе электронов и дырок, такие "центры-убийцы" всегда вредны. Имеются, однако, примеры полезного их использования для уменьшения времени ' жизни неосновных носителей заряда и ускорения актов электронно-дырочного обмена. Последний эффект используется при создании СВЧ переключающих диодов и транзисторов, когда полупроводник специально легируется "атомами-убийцами".

Можно также привести неординарный пример, в котором электрофизическая активность локализованных состояний используется в качестве внутреннего контактного электрода в многослойной структуре солнечного элемента, показанной на 1.2 [22]. Тот же принцип применен и при компоновке многослойных солнечных батарей на основе a-Si (Накамура Ж. и др.). Другой возможностью практического применения этого эффекта в аморфных полупроводниках является их использование в качестве универсальнь!х омических контактов. Как видно из 1.3, омический контакт подразумевает двусторонний обмен электронами и дырками на границе раздела металл/полупровод-

1.3. Низкоомные универсальные омические контакты, созданные на основе использования свойств локализованных состояний в аморфном полупроводнике: а — схема, объясняющая принцип действия с мозаичным р+/«+-омическим контактом [ 24]; б ~ предлагаемый реальный универсальный омический контакт на основе аморфного полупроводника