Low temperature photoconductivity of hydrogenated amorphous silicon (a-s:H) thin films

Abstract

oz Bu çalışmada Staebler-Wronski ve doğal elektronik yerelleşmiş kusurları araştırmak için katkılanmamış hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) ince filmlerin düşük sıcaklıklardaki fotoiletkenlikleri incelenmiştir. Çalışma değişik tekniklerle hazırlanmış katkılanmamış hidrojenli amorf silisyum ince filmleri kapsamaktadır. Bu teknikler; doğru akım `glow discharge` (SİH4 gazının doğru akım altında ayrıştırılması), radyo dalgası plazma yardımlı kimyasal buharlaşma (seyreltilmiş hidrojenli ve seyreltilmemiş hidrojenli), radyo frekanslı manyetik alandaki argon gazı püskürtmesi ve sıcak-katot kimyasal buharlaşması ile büyütme teknikleridir. Örnekler tavlanmış durumda sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik, oda sıcaklığında ışık şiddetine bağlı fotoiletkenlik ve üç farklı ışık şiddetinde 90K°'ya kadar sıcaklığa bağlı fotoiletkenlik yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Filmlerin aktivasyon enerjileri 0.60eV-1.0eV arasında değişmektedir. Fotoiletkenlik değerleri karanlık iletkenlik değerlerinden birkaç mertebe yüksektir. Bu farklar farklı büyütme tekniklerinden dolayı örneklere bağımlıdır. Fotoiletkenliğin ışık şiddetine bağımlılığı,y, (aph«:FY), tavlanmış durum için 0.70 ile 0.90 arasında değişmektedir. Bu değerler rekombinasyon kinetiğinin bant ortası elektronik kusurlardan geçtiğini gösterir. Düşük sıcaklık fotoiletkenliğinde iletkenliğin 1000/T'ye bağlı spektrumu üç farklı bölge gösterir. l.Bölge'de fotoiletkenlik bir geçiş sıcaklığına kadar azalır ve sonra 2.Bölge başlar. 2.Bölge'de fotoiletkenlik spektrumu ya bir tepe gösterir yada ikinci bir geçiş sıcaklığına kadar sabit kalır. Fotoiletkenliğin sıcaklıkla azalmaya başladığı 2. geçiş sıcaklığından sonra 3. Bölge başlar. 2.Bölge'deki geçiş sıcaklığı ve fotoiletkenliğin azalma miktarı örneklere bağımlıdır. Bu sonuçlar tavlanmış durumda bant ortası düzeyde en az iki tip kusur ve eksponansiyel olarak artan kuyruk ( tail ) düzeyi olduğunu gösterir. Staebler-Wronski(SW) etkisi ışık altında bozunuma uğratılmış durumda, örneklerin birkaç güneş ışığı şiddetinde aydınlatılmasıyla araştırılmıştır. Örnekler ışık altında bozunuma uğratılmış durumda, sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik, oda sıcaklığında ışık şiddetine bağlı fotoiletkenlik ve üç farklı ışık şiddetinde 90K° ' ya kadar sıcaklığa bağlı fotoiletkenlik yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Karanlık iletkenlik değerleri Fermi düzeyindeki hafif kaymanın göstergesi olarak belirli oranlarda azalmıştır. Fotoiletkenlik değerleri SW elektronik kusurlarının oluşmasından dolayı tavlanmış durumdaki değerlerinin çok altındadır. Fotoiletkenliğin ışık şiddetine bağımlılığı tüm filmler için, tavlanmış durumda küçük değişmeler göstermesine karşın,l'e oldukça yakınlaşmıştır. Düşük sıcaklık spektrumu tüm filmler için tavlanmış durumda büyük farklılıklar göstermesine karşın, ışık altında bozunuma uğratılmış durumda hemen hemen aynıdır. Fotoiletkenlik spektrumunda 90K° 'ya kadar yalnız 2 bölge baskın olmuştur. 1. bölge 170K0 'ya kadar baskındır ve fotoiletkenlik sabit bir eğimde sıcaklıkla azalır. 170K0 geçiş sıcaklığından sonra 2. Bölge başlar ve fotoiletkenlik 90K° 'ya kadar sabit kalır. 3. Bölge ancak yüksek ışık şiddetinde ve daha düşük sıcaklıklarda gözlenebilir. Sonuçlar, bant boşluğunun ortalarında fotoiletkenliği azaltan kusurların baskın olduğunu gösterir. Bant ortası elektronik düzeylerden uzaklarda ve bant ucuna yakın yerlerde, fotoiletkenliği sıcaklıkla azaltmak yerine arttıran kusurlar nispeten daha az oluşturulur. 1. Bölge' deki fotoiletkenliği azaltan kusurlar nötür-silisyum sallanan bağlardır (D°). 2.Bölge'deki fotoiletkenliği arttıran kusur düzeyleri D olmayan (non-D°) kusurlardır. Bu kusurlar elektronlar için yakalama kesitleri küçük olan foto-duyarlı kusurlardır. Bunlar a-Si:H için önerilen modellerin sonucuna göre, yüklü silikon sallanan bağlar (D+ ve D`) ya da yüzen bağlar olabilirler. vı

oz Bu çalışmada Staebler-Wronski ve doğal elektronik yerelleşmiş kusurları araştırmak için katkılanmamış hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) ince filmlerin düşük sıcaklıklardaki fotoiletkenlikleri incelenmiştir. Çalışma değişik tekniklerle hazırlanmış katkılanmamış hidrojenli amorf silisyum ince filmleri kapsamaktadır. Bu teknikler; doğru akım `glow discharge` (SİH4 gazının doğru akım altında ayrıştırılması), radyo dalgası plazma yardımlı kimyasal buharlaşma (seyreltilmiş hidrojenli ve seyreltilmemiş hidrojenli), radyo frekanslı manyetik alandaki argon gazı püskürtmesi ve sıcak-katot kimyasal buharlaşması ile büyütme teknikleridir. Örnekler tavlanmış durumda sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik, oda sıcaklığında ışık şiddetine bağlı fotoiletkenlik ve üç farklı ışık şiddetinde 90K°'ya kadar sıcaklığa bağlı fotoiletkenlik yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Filmlerin aktivasyon enerjileri 0.60eV-1.0eV arasında değişmektedir. Fotoiletkenlik değerleri karanlık iletkenlik değerlerinden birkaç mertebe yüksektir. Bu farklar farklı büyütme tekniklerinden dolayı örneklere bağımlıdır. Fotoiletkenliğin ışık şiddetine bağımlılığı,y, (aph«:FY), tavlanmış durum için 0.70 ile 0.90 arasında değişmektedir. Bu değerler rekombinasyon kinetiğinin bant ortası elektronik kusurlardan geçtiğini gösterir. Düşük sıcaklık fotoiletkenliğinde iletkenliğin 1000/T'ye bağlı spektrumu üç farklı bölge gösterir. l.Bölge'de fotoiletkenlik bir geçiş sıcaklığına kadar azalır ve sonra 2.Bölge başlar. 2.Bölge'de fotoiletkenlik spektrumu ya bir tepe gösterir yada ikinci bir geçiş sıcaklığına kadar sabit kalır. Fotoiletkenliğin sıcaklıkla azalmaya başladığı 2. geçiş sıcaklığından sonra 3. Bölge başlar. 2.Bölge'deki geçiş sıcaklığı ve fotoiletkenliğin azalma miktarı örneklere bağımlıdır. Bu sonuçlar tavlanmış durumda bant ortası düzeyde en az iki tip kusur ve eksponansiyel olarak artan kuyruk ( tail ) düzeyi olduğunu gösterir. Staebler-Wronski(SW) etkisi ışık altında bozunuma uğratılmış durumda, örneklerin birkaç güneş ışığı şiddetinde aydınlatılmasıyla araştırılmıştır. Örnekler ışık altında bozunuma uğratılmış durumda, sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik, oda sıcaklığında ışık şiddetine bağlı fotoiletkenlik ve üç farklı ışık şiddetinde 90K° ' ya kadar sıcaklığa bağlı fotoiletkenlik yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Karanlık iletkenlik değerleri Fermi düzeyindeki hafif kaymanın göstergesi olarak belirli oranlarda azalmıştır. Fotoiletkenlik değerleri SW elektronik kusurlarının oluşmasından dolayı tavlanmış durumdaki değerlerinin çok altındadır. Fotoiletkenliğin ışık şiddetine bağımlılığı tüm filmler için, tavlanmış durumda küçük değişmeler göstermesine karşın,l'e oldukça yakınlaşmıştır. Düşük sıcaklık spektrumu tüm filmler için tavlanmış durumda büyük farklılıklar göstermesine karşın, ışık altında bozunuma uğratılmış durumda hemen hemen aynıdır. Fotoiletkenlik spektrumunda 90K° 'ya kadar yalnız 2 bölge baskın olmuştur. 1. bölge 170K0 'ya kadar baskındır ve fotoiletkenlik sabit bir eğimde sıcaklıkla azalır. 170K0 geçiş sıcaklığından sonra 2. Bölge başlar ve fotoiletkenlik 90K° 'ya kadar sabit kalır. 3. Bölge ancak yüksek ışık şiddetinde ve daha düşük sıcaklıklarda gözlenebilir. Sonuçlar, bant boşluğunun ortalarında fotoiletkenliği azaltan kusurların baskın olduğunu gösterir. Bant ortası elektronik düzeylerden uzaklarda ve bant ucuna yakın yerlerde, fotoiletkenliği sıcaklıkla azaltmak yerine arttıran kusurlar nispeten daha az oluşturulur. 1. Bölge' deki fotoiletkenliği azaltan kusurlar nötür-silisyum sallanan bağlardır (D°). 2.Bölge'deki fotoiletkenliği arttıran kusur düzeyleri D olmayan (non-D°) kusurlardır. Bu kusurlar elektronlar için yakalama kesitleri küçük olan foto-duyarlı kusurlardır. Bunlar a-Si:H için önerilen modellerin sonucuna göre, yüklü silikon sallanan bağlar (D+ ve D`) ya da yüzen bağlar olabilirler. vı