Orientador: Ivan Emilio Chambouleyron

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Neste trabalho estudamos as ligas amorfas de silício e germânio hidrogenadas (a-SixGe1-x:H), o germânio amorfo hidrogenado (a-Ge:H), além do silício amorfo hidrogenado (a-Si:H). Apresentamos resultados nas propriedades estruturais e opto-eletrônicas de ligas crescidas por r.f. sputtering,...

Resumo: Neste trabalho estudamos as ligas amorfas de silício e germânio hidrogenadas (a-SixGe1-x:H), o germânio amorfo hidrogenado (a-Ge:H), além do silício amorfo hidrogenado (a-Si:H). Apresentamos resultados nas propriedades estruturais e opto-eletrônicas de ligas crescidas por r.f. sputtering, ricas em germânio (x £ 0.25). Encontramos que para x £ 0.1 a incorporação de Si não afeta apreciavelmente tanto a densidade de estados localizados dentro do pseudo-gap, quanto as propriedades estruturais dos filmes. No entanto, o gap ótico de Tauc cresce desde 1.04 eV (x=0.0) até » 1.13 eV (x=0.1). Concomitantemente observamos uma queda de duas ordens de grandeza na condutividade de escuro a temperatura ambiente, enquanto a fotocondutividade praticamente mantém-se inalterada. Em outras palavras, a incorporação de pequenas quantidades de Si na rede do a-Ge:H produz um considerável aumento na fotosensibilidade do material. Este resultado é discutido dentre os modelos atuais para ligas de semicondutores amorfos. Aplicamos a técnica de Spin Dependent Photoconductivity (SDPC) no estudo do processo de recombinação dos portadores foto-gerados no a-Ge:H e nas ligas a-SixGe1-x:H. O sinal de SDPC (-D s/s) no a-Ge:H é fortemente influenciado pelo forte acoplamento spin-órbita, l , quando comparado com o sinal no a-Si:H (lGe » 7.lSi), que por sua vez reduz o tempo de relaxação dos spins. O decrescimento no tempo de relaxação é responsável pelas seguintes características do sinal de SDPC no a-Ge:H: i) pequenas amplitudes (-Ds/s £ 10-6 tipicamente); ii) uma dependência linear com a potência de microonda incidente, além de uma forte dependência com a temperatura. Nas ligas a-SixGe1-x:H, a incorporação do Ge é marcada pela mudança súbita do sinal de SDPC de, semelhante ao encontrado no a-Si:H, para o encontrado no a-Ge:H, para x < 0.9. A origem do sinal de SDPC no a-Ge:H e nas ligas a-SixGe1-x:H é discutida. Estudamos o processo de exodifusão do H e D em filmes de a-Ge:H(D) crescidas por r.f. sputtering, através de tratamentos térmicos. Encontramos dois processos de exodifusão: um rápido, provavelmente devido à presença de bolhas e buracos na amostra, e o segundo lento, devido à difusão dispersiva do H(D) pela rede. Os tratamentos térmicos utilizados provocam mudanças estruturais, sempre que a temperatura utilizada é maior do que a de deposição. Apesar das mudanças estruturais, obtemos o coeficiente de difusão (DH) para o hidrogênio, que é fortemente dependente do tempo (dispersivo), com parâmetro de dispersão a = 0.95 a 280 ºC. DH a comprimentos de difusão fixos (L » 60 nm) é ativado com a temperatura, com energia de ativação de 0.44 x 0.09 eV. A correlação entre os dados de difusão, e a metaestabilidade no a-Ge:H é discutida. Investigamos os efeitos dos tratamentos térmicos nas propriedades opto-eletrônicas do a-Ge:H. Encontramos que para tratamentos isocrônicos (30 minutos), acima de 350 ºC, a densidade de defeitos (dangling bonds, DB), aumenta com a temperatura de tratamento (TT), mas a amostra permanece amorfa. Neste caso, o coeficiente de absorção em 0.7 eV, determinado por PDS (Photothermal Deflection Spectroscopy), pode ser usado como uma medida da densidade de DB (obtida de forma direta por ESR, Electron Spin Resonance). Para 350 ºC < TT < 420 ºC, cristalitos de Ge são formados e crescem até 430 ºC, quando a amostra torna-se microcristalina. O mecanismo de cristalização é discutido. Finalmente, apresentamos medidas de criação e aniquilação induzi da por luz de DBs metaestáveis no a-Si:H intrínseco. Observamos um decrescimento na densidade de defeitos de até 50% induzido pela iluminação contínua da amostra, após a criação rápida de defeitos usando luz pulsada. A cinética de criação e aniquilação de defeitos é discutida, assim como sua implicação nos modelos atuais que tratam dos defeitos metaestáveis no a-Si:H

Abstract: In this work we present results on the structural and opto-electronic properties of the following materials: hydrogenated amorphous silicon germanium alloys (a-SixGe1-x:H), hydrogenated amorphous germanium (a-Ge:H), and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). As the first subject of...

Abstract: In this work we present results on the structural and opto-electronic properties of the following materials: hydrogenated amorphous silicon germanium alloys (a-SixGe1-x:H), hydrogenated amorphous germanium (a-Ge:H), and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). As the first subject of study, we have grown and characterized germanium rich a-SixGe1-x:H alloys (x £ 0.25). It has been found that, for x < 0.15, the Si incorporation does not affect appreciably, neither the density of localized states in the pseudo-gap, nor the structural properties of the films. However the Tauc's optical gap shifts from 1.04 eV (x = 0) to » 1.1 eV (x = 0.15). A concomitant two orders of magnitude decrease of the dark conductivity is measured, whereas the photoconductivity remains essentially unchanged. In other words, the incorporation of small amounts of Si in the hydrogenated amorphous germanium (a-Ge:H) network produces a noticeable increase of the photosensitivity of the samples. These results are discussed in the framework of present models of amorphous semiconductor alloys. In the second subject, we use spin dependent photo-conductivity (SDPC), to study the recombination process of photo-excited carriers in hydrogenated amorphous germanium (a-Ge:H) and silicon germanium alloys (a-SixGe1-x:H). The a-Ge:H SDPC signal is found to be strongly affected by the larger spin orbit coupling, l , when compared to a-Si:H (lGe » 7lSi), which reduces the spin lattice relaxation time. The decrease in the spin lattice relaxation time gives the following characteristics to the a-Ge:H SDPC signal: i) small amplitudes (-Ds/s £ 10-6); ii) a linear dependence on microwave power, and strong temperature dependence. In alloys a-SixGe1-x:H, the incorporation of Ge is marked by a sudden change in the SDPC signal from Si-Iike to Ge-like, for x £ 0.9. The origin of the spin dependent recombination in a-Ge:H and a-SixGe1-x:H is discussed. The third subject of study is the out-diffusion mechanism of H(D) in r.f. sputtered amorphous Ge films. The main result of this study is that two kinds of H(D) motion process coexist in our films: a fast process, most probably due to the presence of voids and pinholes in the film, and a slow process due to the dispersive-like diffusion of atomic H(D) in the amorphous network. It has also been found that, thermal annealing of the samples above the deposition temperature (210 °C) induces structural changes. The diffusion coefficient DH of H is found to be time dependent (dispersive) as expected, with a dispersion parameter a = 0.95 at 280 °C. DH at constant diffusion length (L » 60 nm) is temperature activated, with an activation energy of 0.44± 0.09 eV. Finally, the possible correlation between H(D) diffusion and light-induced metastable defect creation and relaxation in r.f.-sputtered hydrogenated amorphous Ge is discussed. In the fourth subject, we investigate the effect of thermal annealing above the deposition temperature (200°C) on the opto-electronic properties of a-Ge:H thin films. For thermal treatments below 350°C, the defect density increases with increasing anneal temperature (Ta), but the sample remains amorphous. In this case we have found that the absorption coefficient at 0.7 eV, as measured by PDS can be used as a indirect measure of the dangling bond density (measured by ESR). For 350°C < Ta < 420°C, crystallites are formed and grow untiI 430°C, when the sample becomes microcrystalline. The crystallization process is best described by a surface induced crystallization, where the nucleation process occurs in the interface film-substrate. Finally, measurements of light-induced creation and annealing of metastable dangling bond defects in undoped hydrogenated amorphous silicon thin films are reported. A decrease of the defect density by 50% induced by continuous illumination is observed after fast defect creation by pulsed light. The kinetics of creation and recoveryare discussed, as well as the implications for present models treating metastable defects in hydrogenated amorphous silicon