アドミッタンス法の測定原理及び測定方法

測定原理の基本となる自由キャリアに対する深いエネルギー準位の動的な振る舞いは、つまり 欠陥準位におけるキャリアの放出と捕獲のイメージは図 5.1 に示すようなショックレー、リードとホ ールによって提案されたモデル（SRH 模型）⁵⁾によって表される。また、キャリアの振る舞いを速度 方程式で表すと式(5.1)のようになる。

E_T βｎ

βｐ Nt

n

^t

n

Ec

Ev

①

②

③

④

p

図5.1 欠陥準位におけるキャリヤ放出および捕獲のイメージと欠陥密度

     

 ^{N n}    ^{E E}  ^kT 

N

kT E E

n N pn

n N dt n

dn

V t

t v p

C t

c n t

p t

t n t

























exp

exp









欠陥準位に電子が 占める確率

電子捕獲係数 自由電子密度

欠陥準位の 空き準位密度

正孔捕獲係数

自由正孔密度

欠陥準位に占める 電子密度

正孔と再結合する 欠陥準位の電子

欠陥準位から伝導帯に 上がる欠陥準位の電子

価電子帯から欠陥準位に上がる 正孔に捕らえられた電子

① ② ③

④

・・・(5.1)

88

①は電子捕獲の工程を表しており、欠陥準位を占める電子数を示している。②は正孔捕獲 の工程を表しており、正孔と再結合する欠陥準位の電子数を示している。③は電子放出の工 程を表しており、欠陥準位から伝導帯に上がる欠陥準位の電子数を示している。④は正孔放 出の工程を表しており、価電子帯から欠陥準位に上がる正孔に捕らえられた電子数を示してい る。

式(5.1)で表された欠陥準位でのキャリアの振る舞い（速度方程式）を基にアドミッタンス法 (Admittance spectroscopy)は、pn接合のキャパシタンス(C)とコンダクタンス(G)を、AC信号 の周波数および温度を変化させながら測定することで活性化エネルギー及び欠陥密度を求める 方法である。

図 5.2に AC 信号をデバイスに印加した場合の pn 接合におけるキャリアの捕獲及び放出の 関係を示す。pn 接合をキャパシタンスとコンダクタンスの並列回路と仮定し、キャパシタンスの変 化から欠陥評価を行う。具体的には順バイアス時には、pn 接合に注入されたキャリアが欠陥に 捕獲され、また逆バイアスを印加すると捕獲されたキャリアが放出される。この時、欠陥準位はコ ンデンサの役割を果たし、周波数を上げると追従できなくなってくる。この周波数の変化によるキ ャパシタンスの変化を測定する。

さらに図5.3に示したように温度変化によってキャリア活性化の割合を変化させ、AC信号によ るキャパシタンスの変化を利用して、欠陥準位の評価を行う。

次に実際の測定方法について説明する。まず、図 5.4 に実際の測定のセットアップを示す。

CIGS薄膜太陽電池のITO側とMo側の電極にそれぞれ2端子ずつ、4端子法でLCRメ ータ（HP4284A）に接続する。この状態で周波数を変化させ、C（キャパシタンス）と G（コンダク タンス）を温度毎(100K～320K)に測定する。

89

C G pn接合を

C（容量）－G（抵抗）

並列回路として扱う

AC signal

順バイアス 平衡状態 逆バイアス

CB

VB

DL E_F

図5.2 AC信号印加時の欠陥準位におけるキャリアの振る舞い

E_C

中性

低温 高温

価電子帯に存在する正孔数少 価電子帯に存在する正孔数多

E_C

E_V E_V

図5.3 P形半導体における温度変化によるキャリアの活性化

90

次に図5.5のようにC（キャパシタンス）－f（周波数）のグラフを作成し、cutoff角周波数：ω co を求める。周波数を上げると欠陥においてキャリアの捕獲・放出が追従できなくなり、キャパシ タンスが低下する。実際にはω・dC/dωの最大値（追従できなくなる点に相当する）を求めて、

ωco とする。実際には図5.5 と式(8.2)に示すように温度を変化させた結果からωcoを求めるこ とにより、欠陥準位の活性化エネルギー(EA)を求めることができる。

図5.4 LCRメータによるCIGS薄膜太陽電池のC-G測定概略 LCRメータ(HP4284A)

クライオスタット（100K～320K）

周波数（100Hz～1MHz）

Cu(In,Ga)Se₂ ZnO

ITO

CdS

Glass Mo

Au/NiCr

温度 1/T

l n ( ω /T

2

）

キャパシタンスC

周波数f 高温

低温

ω

_co

図5.5 C-fグラフから活性化エネルギーを求める方法

91



E kT



T

e_{T A}

CO 2  ²exp 

・・・(5.2) 

ここでξは放出係数、kはボルツマン係数、Tは温度である。式(8.2)を基に図8.2.5のように アレニウスプロットを作成して活性化エネルギー(EA)および放出係数(ξ)求める。

また欠陥密度分布は次に示す式(8.3)と式(8.4)によって求められる。式(5.3)(5.4)の係数と計 算モデルを図5.6に示す。

・・・(5.3)

・・・(5.4)

 

_



 



 

 

 ln ⁰T² kT

E

 

^{E w}



^{qU U}



^{E E}

 

^{ddC kT}

N

fn d

d t

2 1

 

 

 



 







E

_C

E

_V

P 形 Ud

E

_fn∝

N 形

w

PN接合

C :キャパシタンス Ud :拡散電位

W :空乏層幅

E_fn∝:n形層でのフェルミ準位 E_ω ：角周波数ωの時の価電子帯 からのエネルギー差

欠陥密度

価電子帯からのエネルギー差 E_ω 図5.6 pn接合の計算モデル

92

ドキュメント内 Cu(In,Ga)Se2系薄膜及びZnO系酸化物薄膜における欠陥の光学的評価とその太陽電池ならびに薄膜トランジスタ応用に関する研究 (ページ 93-98)