Физические процессы в барьерных структурах на основе неупорядоченных полупроводников: Учебное пособие, страница 9

Без учета поверхностных состояний высота барьера Шоттки описывается формулой (15). Однако при наличии поверхностных состояний высота барьера qj_В мало зависит от работы выхода металла qj_M . Это происходит потому, что смещение уровня Ферми на границе раздела “металл-полупроводник” относительно потолка валентной зоны Е_C приводит к удалению заряда с некоторой части поверхностных состояний, т.к. они поднимаются над Е_F (рис. 9). Чем больше плотность состояний, тем больше заряд, удаляемый при каждом приращении Е_C  относительно Е_F , что приводит к переносу достаточно большого заряда для того, чтобы выровнять уровень Ферми. При этих условиях уровень Ферми, как говорят, "привязан" вследствие высокой плотности поверхностных состояний. Высота барьера qj_В становится равной

,                                        (12)

где Е_g – ширина запрещенной зоны; qj_i = Е_F – Е_V  – энергия или потенциал свободной поверхности. Для кремния (а также для германия, арсенида и фосфида галлия) экспериментально установлено, что значение qj_i довольно близко к 1/3 ширины запрещенной зоны. Этот факт указывает на то, что большинство поверхностей полупроводников с ковалентным типом химических связей имеет большой пик плотности поверхностных состояний выше E_V на 1/3 ширины запрещенной зоны [26].

1.5. Метастабильные состояния в неупорядоченных полупроводниках

Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно отсутствием термодинамического равновесия, характерного для кристаллов. Изучение процессов метастабильного равновесия начинается с работы Стэблера и Вронского (1977) [27], где впервые была исследована обратимая деградация электрофизических свойств a-Si:H под действием освещения.

При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:H, было обнаружено влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения тонкопленочных полевых транзисторов на a-Si:H под действием поля было связано с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе. Исследования в этой области непосредственно связаны с проблемами практического использования неупорядоченных полупроводников, а именно с временной и температурной деградацией характеристик приборных структур на основе a-Si:H.

В 1977 г. Стэблер и Вронский обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:H белым светом проводимость уменьшается почти на четыре порядка. Наличие светоиндуцированных дефектов проявлялось также в уменьшении фотопроводимости и увеличении сигнала ЭПР. Все эти изменения являются обратимыми, и после отжига все свойства материала могут быть полностью восстановлены.

Совокупность проведенных на материале исследований свидетельствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами. Измерения концентрации образующихся при облучении дефектов N_DL в зависимости от времени освещения t_L выявили зависимость следующего типа:

.                                           (13)

Позднее было показано, что такая зависимость отражает ограниченную область более общей закономерности, характеризующей поведение метастабильных дефектов различного происхождения и имеющей вид растянутой экспоненты:

,                        (14)

где N(t) – плотность метастабильных дефектов; N_S – равновесная плотность этих дефектов; N₀ – первоначальная плотность дефектов; t – эффективная постоянная времени; b - дисперсионный параметр. Следует отметить, что такой же кинетике подчиняется процесс отжига дефектов, так что выражение (14) носит универсальный характер.

Относительно природы возникающих под действием света дефектов не существует единого мнения. Долгое время считалось, что такими дефектами являются центры типа оборванных связей D⁰, дающих сигнал ЭПР. Эти дефекты аналогичны собственным в a-Si:H, которые возникают в процессе его получения. Однако, если время освещения достаточно длительное, то наблюдаются различия в кинетике процессов отжига дефектов. Так пленки, подвергнутые кратковременному облучению, отжигаются аналогично собственным D⁰ дефектам. Пленки, подвергнутые длительному освещению, эффективно отжигаются только при повышенных температурах. Энергетические положения уровней обоих типов дефектов лежат в диапазоне 0.85 эВ ниже края зоны проводимости E_C, а основное различие между ними заключается в величине сечения захвата и частот попыток высвобождения носителей заряда из них n_ph.

Различия в природе дефектов, образованных облучением, и собственных дефектов обнаруживаются также при изменении температуры, при которой происходит деградация электрофизических параметров материала. Дефекты, генерированные светом при низких температурах, отжигаются быстрее, чем высокотемпературные, образованные при комнатной температуре и выше. Изменения наблюдаются также и в энергетическом положении уровней дефектов.

Следует отметить общую тенденцию, на которую указывается в целом ряде работ. Она заключается в том, что увеличение времени деградации электрофизических параметров материала или температуры, при которой она происходит, приводит к образованию дефектов, более стойких к отжигу, чем собственные дефекты a-Si:H.

Примером таких метастабильных состояний могут быть мелкие ловушки хвоста валентной зоны, обусловленные слабыми связями  Si – Si. В этом случае образование дефекта при освещении вызвано либо захватом дырки на эти состояния  и последующей стабилизации структуры вокруг нее, либо внедрением водорода в эти связи. При низких температурах эти процессы эффективны на связях Si – Si, их энергетические состояния расположены вблизи края валентной зоны (мелкие ловушки). Высокоэнергетические состояния, по-видимому, обусловлены этими же процессами, но на состояниях связей Si – Si, расположенных в глубине хвоста валентной зоны ближе к середине щели подвижности. Поскольку энергетическое положение этих связей выше, чем мелких ловушек (более слабые связи Si – Si), а концентрация их меньше, то их эффективное участие в образовании метастабильных дефектов при освещении может быть обеспечено при достаточно высоких температурах. Роль водорода в этом процессе заключается в том, что вероятность взаимодействия водорода с пространственно разделенными наиболее слабыми связями Si – Si будет тем выше, чем выше температура процесса и соответственно диффузионная способность атомов водорода.