книги из ГПНТБ / Мотт, Н. Электронные процессы в некристаллических веществах

Мы предположили, что проводимость в аморфном германии, оса­ жденном при комнатной температуре, за исключением области низких температур, носит характер перескоков по локализованным состояниям вблизи края зоны. Можно ожидать, что отжиг сокра­ тит эту область локализованных состояний и сделает более веро­ ятной проводимость за счет носителей, возбужденных выше энер­ гии, соответствующей скачку подвижности (см. 7.4.2). Если такая

модель справедлива, то увеличение энергии активации должно сопровождаться увеличением значения С, т. е. отрезка, отсекае­ мого на оси ординат при экстраполяции зависимости lncr от ИТ. Свидетельством того, что это имеет место, являются данные, полу­ ченные Читтиком и показанные на фиг. 8.8. Здесь представлены зависимости величин р 0 ( = НС) и Е [р = р0 exp (ElkT)] от тем-

Свойства аморфных полупроводников с тетраэдрической структурой 301

пературы осаждения. Для пленок, полученных осаждением прн комнатной температуре, величина С порядка 10 О м - 1 - с м - 1 , что близко к ожидаемому значению для случая перескоковой прово­ димости вблизи края зоны (см. гл. 7). С ростом температуры осаждедения величина С возрастает до значения порядка 103 О м - 1 - с м - 1 , как ожидается для проводимости по нелокализованным состояни­ ям. Возрастание величины С сопровождается увеличением Е

температуре (б), показывающая влияние отжига (уменьшение плотности

не принимались.

примерно на 0,17 эВ. Заметим, что при температуре осаждения 750 К уже образуются поликристаллические пленки и значение Е резко падает. Читтик исследовал на своих образцах край опти­ ческого поглощения, но не дошел до достаточно низких значений

в 8.1.5. Забегая вперед, отметим, что край оптического поглоще­ ния для пленок, осажденных при комнатной температуре, нахо­ дится примерно при 0,6 эВ, а для пленок, осажденных при тем­ пературе вблизи перехода из аморфной фазы в кристаллическую,— приблизительно при 0,75 эВ (т. е. близко к значению для кристал-

302 Глава 8

лического Ge). Поэтому предложенная нами модель, описываю­ щая эффект отжига, выглядит так, как это показано на фиг. 8.9 (в предположении, что имеет место проводимость д-типа).

В оставшейся части этого параграфа, где рассматриваются другие исследования электрических свойств аморфного германия, мы будем полагать, что эффекты, связанные с отжигом, учтены самими авторами и что пленки «стабилизированы» по крайней мере вплоть до наиболее высоких температур, при которых производи­ лись описываемые измерения.

Было бы, конечно, чрезвычайно полезно знать, в какой сте­ пени изменение удельного сопротивления пленок, показанное на фиг. 8.4, 8.6 и 8.7, обусловлено температурными изменениями подвижности носителей заряда (если они вообще связаны с изме­ нением температуры). К сожалению, как и для других аморфных полупроводников, измерения эффекта Холла затруднительны вследствие малой величины э.д.с. Холла и, более того, они не­ легко интерпретируются. Так, Кларк [99] наблюдал отрицатель­ ный эффект Холла (когда знак противоположен знаку термо-э.д.с, обычно определяемому в аморфном германии при комнатной тем­ пературе), который мог быть измерен только с точностью порядка 100% x >. Его температурную зависимость проследить было не­ возможно. Интерпретируя данные Кларка с использованием обыч­ ного одноэлектронного соотношения R = 1/епс, мы получаем концентрацию носителей заряда (электронов) порядка 101 8 с м - 3 , которая при сопоставлении с данными по электропроводности приводит к холловской подвижности при комнатной температуре порядка 10~2 с м 2 - В - 1 - с - 1 . Вследствие неопределенности интерпре­ тации эти цифры являются малоубедительными. Правда, величина холловской подвижности не так уж плохо согласуется с цедавна развитым Фридманом [180] теоретическим подходом к эффекту Холла для случая проводимости по нелокализованным состояниям вблизи скачка подвижности. Этот подход изложен в разд. 2.12.

На основании измерений зависимости напряжения от емкости р — n-перехода, созданного между аморфным германием и моно­

полученные между аморфным германием и кристаллами р-тппаг были лишь слабо выпрямляющими. Сама процедура, использовав­ шаяся для определения величины' и. указанным методом, подверг­

Свойства аморфных полупроводников с тетраэдрической структурой 303

электрического поля (см. гл. 2, б и 7). Уолли и Джоишер не получили такого падеиия при комнатной температуре вплоть до 20 кГц. Чопра и Бол [95] приводят результаты, показанные на фиг. 8.10. При комнатной температуре уменьшение сопротивле­ ния с ростом частоты имеет место при частоте выше 50 кГц. Часто­ та, начиная с которой происходит это уменьшение, становится

5 - 10 3 до 105 Гц наблюдается изменение сопротивления с частотой по степенному закону с показателем, близким к 2. В соответствии с теорией, изложенной в гл. 2 и обсуждавшейся в гл. 7, переско­ ковая проводимость начиная с определенной частоты должна сле­ довать степенной зависимости с показателем, меньшим единицы. При температурах выше 300 К такая более слабая температурная зависимость, показанная на фиг. 8Л0, свидетельствует о пере­ скоковой характере проводимости вблизи уровня Ферми. При

Столь большая величина не является неразумной с точки зре­ ния результатов Бродского и Тайтла [71] по ЭПР. Сравнивая величину g-фактора (2,021 + 0,001) и ширину линии (39 Гс)

•сигнала ЭПР, полученного на аморфном германии и па разрушен­ ных механическим путем поверхностях кристаллического герма­ ния, Бродский и Тайтл предполагают, что в аморфной фазе при­ сутствуют оборванные валентные связи и их полная концентрация составляет около 3 - Ю 2 0 с м - 3 (см. 7.7.2).

Напряжение смещения, В

Ф и г . 8.11. Дифференциальная туннельная проводимость туннельных пере­ ходов типа А1 — А 1 2 0 3 — аморфный Ge [393].

показаны на фиг. 8.11. Туннельный ток почти симметричен отно­ сительно точки, соответствующей нулевому смещению и, более того, указанная симметрия остается неизменной при понижении темпе­ ратуры до 78 К. Эти экспериментальные результаты, отличающие­ ся от более ранних измерений Нвачуку и Куна [391], весьма ясно

306 Глава 8

Ф н г. 8.13. Температурная зависимость удельного сопротивления аморф­ ного кремния, полученного при температуре вблизи 80 К и затем отожжен­ ного [70].

Получение, термообработка и измерения проводились в условиях сверхвысокого вакуума .

ложку с температурой 77 К. Уменьшение проводимости при отжпге (по крайней мере при температурах ниже 300 К) сопровождает­ ся падением мощности сигнала ЭПР. Зависимость этого сигнала от температуры отжига изображена иа фиг. 8.14, а, где показано

также одновременное уменьшение показателя преломления. Следу­ ет отметить, что вплоть до температуры отжига порядка 500 °С, очевидно, кристаллизации не происходит, так что изменения при более низких температурах надо рассматривать как следствие

дифракции рентгеновских лучей, которые подтверждают это пред­ положение, хотя чувствительность измерений такова, что для наблюдения кристаллической фазы на фоне аморфной она должна составлять более 10% объема пленки. Подобные картины при диф­ ракции электронов получены Моссом и Грачиком [358].

Свойства аморфных полупроводников с тетраздрйческой структурой 309

виде, как и его результаты для аморфного германия, т. е. в виде

тур осаждения от 300 до 400 К говорит о том, что, как и в случае германия, преобладающий механизм проводимости претерпевает изменение от перескокового с участием локализованных состоя­ ний у края зоны к проводимости по состояниям за краем подвиж­ ности. Очень низкие значения Е для пленки, осажденной при комнатной температуре, появляются вследствие того, что Читтик измерял наклон на криволинейном участке графика 1пр (ИТ), где

к уменьшению р . Таким образом, пленки Читтика ведут себя при отжиге прямо противоположно пленкам Бродского и др. Очевид­ но, столь явное противоречие обусловлено различными методика­ ми приготовления пленок.

Метод получения аморфного кремния с помощью радиочастотно­ го разряда приводит к более высокому удельному сопротивлению при комнатной температуре, чем какой-либо другой метод. Для температуры осаждения примерно 400 К сопротивление составляет (из фиг. 8.15) около 104 ехр (0,84/кГ), т. е. порядка 101 0 Ом-см при комнатной температуре. Мы можем думать, что этот факт связан с большим, чем в случае пленок, полученных испарением, энерге­ тическим интервалом, занимаемым локализованными состояния­ ми у края зоны, и, следуя Читтику, предполагать, что падение Е до величины 0,65 эВ при отжиге обусловлено делокализацией состояний в этом интервале. Из фиг. 8.15 можно поэтому оценить размеры области локализованных состояний: для образцов,осаж­ денных при 400 К, эта область составляет около 0,2 эВ; для образ­ цов, осажденных при комнатной температуре, область локализо­ ванных состояний должна быть даже больше; увеличение р 0 говорит о том, что в рассматриваемоминтервале температур проводи­ мость является перескоковой с участием состояний вблизи края зоны.

Высокое удельное сопротивление аморфного кремния, получен­ ного упомянутым способом, делает возможным измерение дрейфо­ вой подвижности (см. 7.4.3). Ле Комбер и Спир [313] выполнили такие измерения. Учитывая важность этих результатов, остано­ вимся на них несколько подробнее. На фиг. 8.16 представлены все данные наблюдений. На температурной зависимости дрейфовой подвижности электронов (перенос посредством дырок обнаружить не удалось) имеется излом при температуре примерно 250 К, выше которой энергия активации равна 0,19 эВ, а ниже она составляет