Sub-gap absorption spectroscopy and its applications to amorphous semiconductor materials

Abstract

öz Düşük enerjili ışık soğurma izgegözlemi, amorf yarıiletkenlerde soğurma katsayısının enerjiye bağımlılığım incelemek için kullanılan en temel deneysel araçlardan biridir. Elektronik kusurların ve düzensizliğin etkileri, soğurma katsayısı izgegözleminde gözlenebilir. Bu yüzden, iki demetli ışıliletkenlik (DBP) tekniği kuruldu ve değişik sistemlerde hazırlanmış, tavlanmış ve ışık altında bozunuma uğratılmış hidrojenleştirilmiş amorf silisyum ince filmlere uygulandı. Tavlanmış durumda, a-Si:H filmlerdeki doğal elektronik kusurların etkileri karanlık iletkenlik, ışıliletkenlik ve DBP tekniği kullanılarak incelendi. Örnekler değişik karanlık ve ışıliletkenlik değerleri göstermektedir. Değişik ışık şiddetlerinde ölçülen DBP sonuçlarından elde edilen soğurma katsayısı dağılımı üç bölge göstermektedir. Yüksek enerjilerde, parabolik dağılımı gösteren durumlardan dolayı oluşan soğurma başlandır. Enerji, yasak enerji aralığının altına düştüğünde, eksponansiyel valans bant kuyruk soğurması ortaya çıkar. 1.4 eV'un altındaki enerjilerde, yasak enerji aralığının ortasındaki elektronik kusurlara bağlı olarak soğurma katsayısı bir çıkıntı gösterir. Bu bölgedeki soğurma katsayısı değerleri filmler arasında farklılık göstermektedir. Işıliletkenlik ve soğurma katsayısı değerleri direk olarak orantılı olmadığı bulunmuştur. Bu, a-Si:H filmlerde, bir türden fazla doğal kusurların olduğunu ifade etmektedir. Işık altında bozunuma uğratılmış durumda, örnekler birkaç güneş şiddetindeki beyaz ışık kaynağının altında bırakıldı. Bütün örnekler Staebler-Wronski etkisini göstermektedir. Fakat, ışıliletkenlikteki azalma miktarı her örnek için farklılık göstermektedir ve soğurma katsayısındaki artış ile doğru orantılı değildir. Buradan, bu iki ölçümünde aynı tür elektronik kusurlar ile kontrol edilmediğini çıkartabiliriz. Ayrıca, DBP ile elde edilen soğurma katsayısının saptırma izgegözlemi (PDS) ve sabit ışılakım tekniği (CPM) sonuçlan ile çok uyumlu olduğu gözlenmiştir. Sonuç olarak, DBP tekniğinin, amorf ve mikrokristal silisyum filmlerin incelenmesinde güvenilir bir karakterizasyon aracı olduğu ve ilerideki araştırmalarda da kullanılabileceği anlaşılmıştır.

ABSTRACT Subgap absorption spectroscopy is one of the most fundamental experimental tools to investigate absorption coefficient, a(hv), spectrum in amorphous semiconductors. The effects of the disorder and defect states can be observed in the a(hv) spectrum. For this goal, dual beam photoconductivity technique (DBP) has been established and applied to the hydrogenated amorphous silicon, (a-Si:H), thin films prepared by different deposition systems, both in the annealed and light soaked states. In the annealed state, the effects of the native defect states in a-Si:H films were studied using dark conductivity, steady state photoconductivity and the DBP technique. The samples showed different dark and photoconductivity values. The a(hv) spectrum obtained from the DBP measured at different bias light intensities shows three regions. At high energies, parabolic extended state absorption dominates. As energy decreases below the bandgap, the exponential valence band tail absorption appears. At energies below 1.4 eV, the subgap absorption due to the midgap defect states exhibits a shoulder in the spectrum. Absorption coefficient at a (1.2 eV) showed variation among the films. Photoconductivity and subgap absorption values could not be correlated directly. This implies that more than one type of native defects is present in a-Si:H. In the light soaked state, samples were left under a white light source of a few sun intensity. All the samples showed the Staebler-Wronski effect. However, the magnitude of degradation in photoconductivity is different for all the samples and is not directly proportional to the increased subgap absorption. It is inferred that both measurements are not controlled by the same defect states. As a summary, the DBP technique established in this thesis was found to be a reliable characterization tool to study amorphous and microcrystalline silicon films. The DBP results with those of photothermal deflection spectroscopy (PDS) and constant photocurrent method (CPM) techniques showed very good agreement, implying that DBP is a reliable spectroscopic tool for future investigations.