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Defects in Hydrogenated Amorphous Silicon and Its Based Alloy Films

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Academic year: 2021

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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

(2)

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・Boththesurfacedefectsandchargeddefects

inundopeda‑Si:Handitsalloysseemnottobedirectlyinvolvedinthethermal equilibrationalthoughtheneutralbulkdefectdensityincreaseswithtemperature above"thermalequilibriumtemperature''Tb.Thermallyinducedreversible changerelaxesfollowingastretchedexponentialform.Aninterestingcorrelation

betweentheThandtheopticalbandgapisfoundtoexistforthesethreekinds

ofalloysandthephysicalmechanismunderlyingtherelationisdiscussed,The resultsonthedefectsrelatedtodopingandalloyingarealsodescribed.

Fromtheviewpointofbothfundamentalresearchandapplicationperspectives,

itisextremelyimportanttounderstandtheoriginandnatureofthedefects

(3)

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‑

︵N●や匡○Nb↑×︶︒︑之

一一jrf

0

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‑indefect

densityandtheinsitumeasurementofthedefectdensityatelevated

temperatures.Areversibleincreaseinthebulkdefectdensityat400Aina‑Si:

Hisaboutafactorof4‑5,asshowninFigure2.However,boththedensities ofsurfacedefectsandchargeddefectsdidnotshowappreciablechangewith

(4)

EB(ev) 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0

700

β

ノ▲

/ 霧

ノ ▲

▲ ′

TA(C)

400300200150(。C)

1 0 8

600

四一コ10フ且、[ 500

︵面0戸匡U︶

ユーコ1087レC

43 0000

︵エ︶岻戸

麦一両仁①ロ仁一Q︑

△ ご 宝 ' O . 9 f し O O 6

− A

200

。g 5 . 0 0 9 3 0 y O C

− O

100

1015

0

0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5

Ept(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

(5)

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、gld

l 6 ! 9

inthedefectdensityshowthat,with m

z

increasingthealloycontent,alongertime

, d 8

isrequiredtorelaxtheseexcessdefectsand

,(I7

theactivationenergyoftherelaxationtime

alsoincreases,froml.4eVfora‑Si:Hto g2005

2004

about1.6eVfora‑Sio、80C0.20:H.However, 6,2003 thethermally‑inducedchangeofconducti‑ 30

vitiesina‑Si,̲zGez:HshowsashorterrR relaxationtimeandasmalleractivation

220

energy,0.9eVfOra‑Sio.62Ge0.38:H.To d l O measuretheHdiffUsionconstantandto

O

seeifthereisacolTelationbetweentheHUo.51.0

X

diffisionenergyandtheactivationenergyFigure4ThespindensityM,gvalue

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.Hyperfinesplittingisfoundtodecreasewiththedecrease

inPdopinglevelfrom245Gto203G,butincreasesupto280Gwithdecreasing nforP‑dopeda‑Si:H.InP‑dopeda‑Si,̲zCz:H,HFSincreaseswithCcontent,

althoughEi,shiftsdownwardsfromtheconductionbandedgeinallthreecases.

TheseresultsaredifficulttoexplainbyP:modelwhichexpectsthatHFS

increaseswiththedownwardshiftofafromtheconductionbandedge.The weakSi‑PbondmodeltakingaccountoftheinfluenceofHcanexplainthese

(6)

experimentalresults.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,itis

possiblethatSidanglingbondswith'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。

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