Miroslav Luňák Vlastnosti vrstev a struktur na bázi a-Si:H Diplomová práce Miroslav Luňák Vlastnosti vrstev a struktur na bázi a-Si:H

Obsah prezentace úvod, amorfní křemík popis použitých vzorků ideální a reálná struktura MIS metoda konstantního fotoproudu určení parametrů funkce hustoty stavů g(E) znázornění konvoluce spektra koeficientu absorpce doplnění konvolučního algoritmu o multiplikativní konstanty AA, jejich význam výběr z výsledků měření vzorek M61A vzorek 102143 závěr

Úvod křemík patří k nejrozšířenějším surovinám historicky nejvýznamnější bylo použití krystalického křemíku jiné formy Si, nacházející uplatnění a perspektivu do budoucnosti: a-Si:H (amorfní hydrogenovaný křemík) c-Si:H (mikrokrystalický hydrogenovaný křemík) pm-Si:H (polymorfní hydrogenovaný křemík) Využíván je zejména k výrobě fotovoltaických panelů.

Narozdíl od krystalického ztrácí u amorfního polovodiče pásový model svůj význam.

Vlastnosti energiového spektra popisuje lépe funkce hustoty stavů g(E) Model rozložení hustoty stavů v a-Si:H(____) a a-Si(- - -)

Nevýhoda a-Si:H růst hustoty hlubokých stavů při dlouhodobém ozáření, dochází tak k degradaci amorfní struktury (příklad: snížení účinnosti fotovoltaických článků) Ilustrativní znázornění důsledku degradace jev je vratný, prostřednictvím žíhání při teplotě t > 150 °C

V diplomové práci byla provedena studie optoelektrických vlastností MIS FET struktur tenkých vrstev a-Si:H a pm-Si:H, metodou konstantního fotoproudu. Vrstvy, na kterých byla prováděna charakterizace, vznikly magnetronovým naprašováním směsi rozkládaného silanu (SiH4) s heliem na substrát (a-Si:H-vzorek M61A), nebo rozkladem směsi silanu v doutnavém výboji za tlaku vyššího než přibližně 100 Pa (pm-Si:H-vzorek102143). (Polymorfním označujeme amorfní materiál, v němž se nachází malé objekty (zrna), struktury s krystalovým uspořádáním na vzdálenost několika atomových délek.)

Popis použitých vzorků M61A Konfigurace FET struktury M61A U tohoto vzorku byla porovnávána spektrální závislost koef. absorpce před a po degradaci. Schema zapojení vzorku M61A do el. obvodu

Popis použitých vzorků 102143 - struktura typu TFT Znázornění konfigurace a schema zapojení 102143 pro měření metodou CPM

Ideální struktura MIS Stejného efektu docílíme Povrch krystalického polovodiče představuje z hlediska periodického uspořádání poruchu. Studium povrchových vlastností polovodičů komplikují povrchové vrstvy oxidů a adsorbovaných plynů   většinou nabité - působí na volné nosiče s nábojem   u povrchu polovodiče vznikají vrstvy s větší nebo menší hustotou částic s nábojem než uvnitř polovodiče. Stejného efektu docílíme přiložením el. pole na polovodič. Zapojení k vytvoření el. pole s intenzitou, která směřuje do polovodiče

Reálná struktura MIS Existuje zde mnoho různých povrchových stavů a el. nábojů  vliv na rozložení potenciálu v polovodiči  působí změny charakteristik struktury MIS. (Např.: náboje pohyblivých iontů, náboje v oxidové vrstvě, polarizovatelné dipóly na rozhraní izolantů, apd.)

Metoda konstantního fotoproudu ( CPM ) Používáme k určení koeficientu absorpce (h) z fotovodivosti (relativní metoda) Výchozí myšlenka metody : Pro fotoproud I v nedopovaném a-Si:H za podmínky d<<1 a np a při zanedbání interferenčních jevů platí : I  ( 1 - R ) N  d  e n  F R, , n  Při pokojové teplotě slabě spektrálně závislé. Závisí především na počtu rekombinačních center, ty odvisí od intenzity dopadajícího záření a vlnové délky (teplota vzorku konst.). Změnou počtu dopadajících fotonů udržujeme I konstantní velikosti (v průběhu celého experimentu), počet rekombinačních center se tedy nemění, z toho plyne:  se nemění v průběhu experimentu. Pak :

Určení parametrů funkce hustoty stavů g(E) Hodnota koeficientu absorpce pro energii h je dána výsledkem konvoluce hustoty stavů počátečních (plných) a koncových (prázdných) :

integrál můžeme počítat přes všechny možné stavy (možných typů přechodů je 12) a dostaneme tak příspěvky 1,2, 3,.., 11,12, do celkového spektra koeficientu absorpce.

Přechody 7 až 12 :

Při dekonvoluci aproximujeme pomocí křivky, tvořené součtem k a vhodnou změnou parametrů (EG,A,EC,ED,EF) funkce g(E), závislost =f(h), určenou experimentálně.

Doplnění konvolučního algoritmu o multiplikativní konstanty AA Pro úspěšné vyhodnocení experimentálně získaných spekter (h) bylo nutné zvýšit podíl 9 až 12 do celkové aproximativní křivky koeficientu absorpce. Následující výraz je doplněn o konstantu AAi (í = 9 až 12) (Vliv FE na polohu EF –změna v obsazenosti stavů   dominantnost některých přechodů.)

Význam dekonvolučních par. AA Lze se domnívat, že dávají také informaci o jiné hodnotě hustoty stavů při hraně vodivostního pásu a ve vodivostním pásu, dále o pohyblivosti nosičů náboje, popř. době života. Ne však v celém objemu polovodiče - pravděpodobně pro oblast při hradlové elektrodě. (Můžeme tak usoudit ze změn experimentálních křivek koeficientu absorpce v oblastech energií 0,6 - 0,9 eV, při různých hodnotách hradlového napětí.To koresponduje s jevem různé koncentrace a pohyblivosti volných nosičů náboje v blízkosti povrchové vrstvy struktury MIS.)

Výsledky měření - vzorek M61A Naměřené závislosti koeficientu absorpce pro uvedená hradlo-vá napětí při USD=10 V a referenční chara-kteristika, ozn."FILM"

vzorek M61A Hodnoty parametrů funkce hustoty stavů pro vrstvu, reprezentovánu závislostí, ozn. FILM a vzorek M61A při USD=10 V, UG=0 V, 10V, -40V

vzorek M61A Naměřené závislosti koeficientu absorpce při UG=0 V(USD=0,5 V), UG=0 V(USD=10 V) a znázornění referenční charakteristiky, ozn. "FILM"

vzorek M61A Naměřené závislosti koeficientu absorpce pro uvedená hradlová napětí při USD=0,5 V Pozorujeme stejné tendence nárůstu hodnot (h) v oblastech energií 0,7 - 1,2 eV.

vzorek M61A Vzorek M61A byl vystaven cyklu degradace-žíhání. Degradace byla prováděna intenzivním světlem 3620 Wm-2 při teplotě 80 °C. Celková doba osvitu byla 6,5 hodiny.

vzorek M61A - po degradaci Naměřené závislosti koeficientu absorpce při USD=0,5 V, po degradaci, doplněno o závislost UG=0 V(před degradací), při USD=0,5 V.

vzorek M61A Hodnoty parametrů funkce hustoty stavů při USD=0,5V, pro UG=0 V -před degradací a pro UG=0 V -po degradaci

vzorek M61A - obraz funkce g(E) Obraz funkce g(E), tence jsou znázorněny podkřivky koncentrace stavů, získáno dekonvolucí absorpčního spektra vzorku M61A(USD=0,5 V, UG=0 V)

vzorek M61A - obraz funkce g(E) po degradaci Obraz funkce g(E), tence jsou znázorněny podkřivky koncentrace stavů, získáno dekonvolucí absorpčního spektra vzorku M61A(USD=0,5 V, UG=0 V), po degradaci

Výsledky měření - vzorek 102143 Naměřené závislosti koeficientu absorpce vzorku 102143, TFT struktury, pro uvedená napětí UG , USD=17 V, metodou CPM

Závěr Dekonvolucí spektrální závislosti koeficientu absorpce byla získána informace o hodnotách parametrů funkce hustoty stavů v pseudozakázaném pásu a byla provedena rekonstrukce průběhu funkce g(E) prokázán vliv vnějšího elektrického pole na spektrální závislost koeficientu absorpce, zejména v oblasti energií, odpovídající hlubokým stavům model běžně užívaný pro dekonvoluci spektra koef. absor-pce se ukázal nevyhovující pro charakterizaci vrstev a-Si:H typu FET - je vhodné uvažovat vícevrstvý model