Defects in Hydrogenated Amorphous Silicon and Its Based Alloy Films
著者 徐 希翔
journal or
publication title
博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査 結果の要旨/金沢大学大学院自然科学研究科
number 平成2年6月
page range 41‑45
year 1990‑02‑01
URL http://hdl.handle.net/2297/33151
氏 名 徐 希 翔
学 位 の 種 類 学 位 記 番 号 学 位 授 与 の 日 付 学位授与の要件 学位授与の題目
論 文 審 査 委 員
学術博士 学博甲第17号 平成2年3月25日
博士課程終了(学位規則第5条第1項)
DefectsinHydrogenatedAmorphousSiliconand
ItsBasedAlloyFilms(水素化アモルファスシリコン及びシリコン系合金薄膜
における欠陥)( 主 査 ) 清 水 立 生 ( 副 査 ) 久 米 田 稔 ( 副 査 ) 長 谷 川 誠 一 ・ ( 副 査 ) 渡 辺 一 郎 ( 副 査 ) 樋 渡 保 秋
学 位 論 文 要 旨
Theoriginandnatureofthedefectsinhydrogenatedamorphoussiliconfilm ( a ‑ S i : H ) a n d i t s b a s e d a l l o y s , s u c h a s s i l i c o n ‑ c a r b o n , s i l i c o n ‑ n i t r o g e n a n d s i l i c o n ‑ germaniumalloysareinvestigatedinthisworkbyelectronspinresonance, constantphotocurrentmethodaswellasotherelectricalandopticalmethods.
Itisfoundthatalloyinga‑Si:HwithCorNincreasesbulkdefectdensityby ashighasthreeordersofmagnitudewhilethesurfacedefectdensityremains unchangedwithinafactorof3‑4.Thennalequilibriumphenomenahavebeen
firstobservedina‑Sibasedalloys・Boththesurfacedefectsandchargeddefectsinundopeda‑Si:Handitsalloysseemnottobedirectlyinvolvedinthethermal equilibrationalthoughtheneutralbulkdefectdensityincreaseswithtemperature above"thermalequilibriumtemperature''Tb.Thermallyinducedreversible changerelaxesfollowingastretchedexponentialform.Aninterestingcorrelation
betweentheThandtheopticalbandgapisfoundtoexistforthesethreekindsofalloysandthephysicalmechanismunderlyingtherelationisdiscussed,The resultsonthedefectsrelatedtodopingandalloyingarealsodescribed.
Fromtheviewpointofbothfundamentalresearchandapplicationperspectives,
itisextremelyimportanttounderstandtheoriginandnatureofthedefects
2 inhydrogenatedamorphous silicon(a‑Si:H)anditsrelated
alloys・Thisworkismainly
devotedtodescribeseveralim‑
portantbutcontroversialissues relatedtothedefectsina‑Si:H anditsalloys,suchasa‑Si,̲jrCz:
H,a‑Si,̲zN":Handa‑Si,一垂Ge":
H,includingsurfaceandbulk defects,neutralandchalgedde‑
fects,thermally‑induceddefects andtheirthermalequilibrium process,defectsinducedby dopingandalloying,etc.The mainresultsarebrienydes‑
1
︵N●や匡○Nb↑×︶︒︑之
〆
一一jrf0
500 1000 1500
d ( ム )
0
FigurelThicknessdependenceofNsafora‑Si:H filmsinsmallthicknessregion.Closedcirclesare experimentaldatafromESRmeasurements.Fitted resultisrepresentedassolidline.Dashedlineis theextrapolationofthelinearpartofthesolidline toshowthesurfacespindensity.
cribedasfollows:
1)ESRandCPMstudiesshowthatthereisasurfacedefectivelayerona‑
Si:Hfilmswithatypicalthicknessaround200A(seeFig.1).Experimentalresults
obtainedfromthea‑Si:Hfilmswithvariousthicknessesandsurfacetreatments demonstratethatthefreesu㎡aceismuchmoredefectivethantheinterfaceand thesurfacedefectshaveacloserelationwithnaturaloxidization.2)Alloyinga‑Si:HwithCorNincreasesthebulkdefectdensitybynearly threeordersofmagnitude,fromlO'5cm‑3tolO'8cm‑3,whileitonlyincreasesthe surfacedefectdensitybyafactorof3,varyingwithinl‑4×10'2Cm‑2.
3)Su㎡acedefectscanbedescribedbyanexponentialdistributioninthe nearsurfaceregion・Theoptimalfittinggivesl20Aofacharacteristicsurface t h i c k n e s s a n d l . 2 × 1 0 ' 8 c m ‑ 3 o f t h e s u r f a c e d e f e c t d e n s i t y f o r a ‑ S i : H ( F i t t e d r e s u l t
isshownbyadashedlineinFig.1).4)Thedefectdensityinundopeda‑Si:Hcanreachthermalequilibriumstate
above7h(around200A).Thermalequilibriumdefectdensityincreaseswith
temperature,whichisclarifiedbyboththemeasurementofthefrozen‑indefectdensityandtheinsitumeasurementofthedefectdensityatelevated
temperatures.Areversibleincreaseinthebulkdefectdensityat400Aina‑Si:Hisaboutafactorof4‑5,asshowninFigure2.However,boththedensities ofsurfacedefectsandchargeddefectsdidnotshowappreciablechangewith
EB(ev) 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0
700
〃
/
β
/ ノ ノ
ノ▲
ノ
/ 霧
ノ ▲ ノ
▲ ′ノノ 戸
ノ
TA(・C)
400300200150(。C)
1 0 8
600
四一コ10フ且、[ 500
7J1
︵面0戸匡U︶
ユーコ1087レC
43 0000
︵エ︶岻戸
ノ
6
j
l麦一両仁①ロ仁一Q︑
/
△ ご 宝 ' O . 9 f し O O 6
− A
/
/
/ 200 ノ
ノ ノ
。g 5 . 0 0 9 3 0 y O C
− O
ノ
100 ノ ノ
1015 ノ
〃 0
0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5
E。pt(eV)
Figure30pticalbandgapEbp:dependence ofthennalequilibriumtemperature庇.
Solidcir℃lesareourdataandtheopen cil℃leisfromtheresultsofPrincetongroup.
TrianglesshownversusEb,theactivation energyofrelaxationtime.
1 . 5 2 . 0 2 . 5
1000/TA(KF')
Figure2Dependenceofbulkspindensities ofthefrozen‑indefectsonannealling temperatureZAfOrfivehydrogenateda‑Si basedalloyfilms.Thean℃wsindicatethe thermalequilibriumtemperaturert.
temperature,implyingthatbothmaynotbedirectlyinvolvedinthennal equilibriumprocess,whichalsopartiallysupportstheassumptionthat
thermally‑inducedincreaseinthedefectdensityisnotduetoeitherthe
conversionbetweenchargeddefectsandneutralonesorthechangeinthe distributionbetweenbulkregionandsurfacelayer.5)Measurementsofthermallymetastabledefectsina‑Si,̲zC":Handa‑Si,̲z Nr;Hprovidethefirstreporttoextendthestudyofthermalequilibrium phenomenatoa‑Sibasedalloys.
Thedefectdensityinthesewide‑bandgapalloysalsoincreaseswith temperatureandthealloyingwithCorNmakes7bshifttoahighertemperature side・Similarstudiesonnarrow‑bandgapa‑Si,̲drGer:Halloyscouldnotobserve anappreciableincreaseinthedefectdensityalthoughbothdark‑andphoto‑
conductivitiesdecreasereversiblybyafactorof5‑7after250℃FC,startingfrom l45℃fora‑Sio.62Geo.38:H.
6)Thefrozen‑inchangeina‑Si:HbasedalloysisalsofOundtofollowa
stretchedexponentialrelaxationlawasin
E
a‑Si:H・Fora‑Si,−zC":Handa‑Si,−必Nz:."、20
"‑、10
H , r e l a x a t i o n d a t a o f t h e f r o z e n ‑ i n i n c r e a s e
炉 8、gldl 6 ! 9
inthedefectdensityshowthat,with m
z
increasingthealloycontent,alongertime
, d 8
isrequiredtorelaxtheseexcessdefectsand,(I7
theactivationenergyoftherelaxationtime
alsoincreases,froml.4eVfora‑Si:Hto g2005
厚2004
about1.6eVfora‑Sio、80C0.20:H.However, 6,2003 thethermally‑inducedchangeofconducti‑ 30
vitiesina‑Si,̲zGez:HshowsashorterrR relaxationtimeandasmalleractivation
220
エ
energy,0.9eVfOra‑Sio.62Ge0.38:H.To d l O measuretheHdiffUsionconstantandto
O
seeifthereisacolTelationbetweentheHUo.51.0
X
diffisionenergyandtheactivationenergyFigure4ThespindensityM,g‑value
fortherelaxationtimecanfurtherverifyand△必,asfunctionofxina‑Si,̲"Cz:
w h e t h e r " H ‑ g l a s s m o d e l ' ' c a n b e e x t e n d e d g m : W S A d " 急 ぎ s 脇 馳 獺
toa‑Sibasedalloys. CirclesarefOrsamplespreparedat 350℃andtrianglesareforsamples preparedatroomtemperature.
7)Itisfoundthatthereisaverysimple
correlationbetweenthethermalequilibriumtemperature7bandtheoptical bandgapEbpfforbothwide‑bandgapandnarrow‑bandgapa‑Sibasedalloys.
AsshowninFig、3,ThincreaseswithEbp!froml45℃to320℃approximately inalinearwayovertherangeofEbp!from1.45eVfora‑Sio.62Ge0.38:Htoabout 2.05eVfora‑Sio.80C0.20:H,bothfollowinganequation,Th=Ebp'/40AItis interestingthattheextrapolatingavailableexperimentaldatatovanishingE.
makes7b(Eb"!=0)OK・TheproportionalrelationbetweenThandEb"'should betestedinawiderrangeofthebandgapinhigher‑alloy‑contenta‑Sibased
alloys,evenina‑Ge:Handa‑C:H.
8)P‑relatedhype㎡inecentersarestudiedbyESRinbothP‑dopeda‑Si:H
anda‑Si,̲"C":Halloys.HyperfinesplittingisfoundtodecreasewiththedecreaseinPdopinglevelfrom245Gto203G,butincreasesupto280Gwithdecreasing nforP‑dopeda‑Si:H.InP‑dopeda‑Si,̲zCz:H,HFSincreaseswithCcontent,
althoughEi,shiftsdownwardsfromtheconductionbandedgeinallthreecases.TheseresultsaredifficulttoexplainbyP:modelwhichexpectsthatHFS
increaseswiththedownwardshiftofafromtheconductionbandedge.The weakSi‑PbondmodeltakingaccountoftheinfluenceofHcanexplaintheseexperimentalresults.ItisalsonoteworthythatP!modelcanactuallybeincluded
intotheweakSi‑Pbondmodelastheextremeoftheweakbond.
9)Ina‑Si,−重C.z:Hpreparedbyusing!3C,thelinewidthofESRsignalswas prominentlyincreasedwithincreasingCcontentx,fromabout7Gto30GfOr
a Sio.45Co.55:H(seeFig.4).Intherangeofasmallxuptoaboutx=0.3,itispossiblethatSidanglingbondswith'3Catbackbondsaretheoriginofthe wideESRsignal,whichmeansthedominantdefectsareSidanglingbonds・In thesampleswithalargex,]3Cdanglingbondsshouldexist・Thefactthatno
splittingoftheESRsignalwasobservedinanycaseinvestigatedimplieseither Cdanglingbondsmaybeclusteredorthes‑characterinCdanglingbondstate isdistributed.論文審査の結果の要旨
平成2年2月6日の口頭発表の結果をふまえ,その後論文審査委員会を開催し,協議 の結果,以下の通り判定した。
本論文ではアモルファス太陽電池や液晶ディスフ・レー用薄膜トランジスタなどへの応 用がなされている水素化アモルファスシリコンとその合金薄膜(SiにC,N,Geなど を合金化したもの)の構造欠陥について主としてESRを用いて研究を行っている。これ らの薄膜材料は今後電子材料として幅広く利用されることが期待されているが,その光 電特性の向上のためには欠陥密度の低減が極めて重要である。本論文ではこのような欠 陥の成因を明らかにする目的で,欠陥密度と熱平衡状態との関係を詳しく調べ,次のよ うな極めて重要な事実を明らかにしている。即ち,200℃以上に温度を上げると可逆的に 欠陥密度が上昇し,急冷によってその欠陥密度が凍結される。このような振る舞いは水 素化アモルファスシリコンだけでなく,ずっと欠陥密度の大きなSi‑CやSi‑Nなどの 合金薄膜においても見られる。これらの結果はいくつかの国際会議においても報告され,
国際的にも注目され,高い評価を得ている。今後,もっと光電特性の優れた欠陥密度の 少ない膜を作るための基礎として,本論文の結果は重要な意味を持っている。この他に も表面欠陥の正体を明らかにしたり,不純物Pに関係した欠陥に関する新しい知見を得 るなど,重要な成果を得ている。以上のように本論文は極めて優れた内容を有しており,
学術博士の学位に値するものと判定する。