In this thesis, various metastabilities occurred in compensated and delta-doped hydrogenated amorphous silicon(a-Si:H) films are observed, and I proposed a microscopic mechanisms for the generation excess carriers by rapid cooling or by light illumination. I examined the conductivity changes induced by thermal quenching in compensated a-Si:H films with various compensation ratios of boron and phosphorus as well as in delta-doped a-Si:H films. The magnitude of the excess conductivity upon rapid cooling increases as the Fermi-level approaches to the band edges. The relaxation of the excess conductivity follows the stretched exponential form. However, the activation for the relaxation time is found to be smaller then those for undoped and singly doped a-Si:H films. This facts indicate that the relaxation mechanism strongly governed by hydrogen diffusion. The effect of band tail carriers are also studied in metastable state annealing processes when the density of band tail carriers($n_BT$) are large. Previously, Street et al., showed that the band tail carriers affect metastable relaxation processes, we create large persistent photoconductivities by light illumination upon fully compensated sample at several temperatures. Keeping the illuminating temperature constant, slow decay of persistent photocurrents are measured according to time. Decay behavior fits well with numerical analysis introducing band tail carrier dependent hydrogen diffusion coefficient as $D_H=(Dn_BT^ε+D_min)(Vt)^{-α},ε dependence of $D_H$, can be determined through widely accepted values for $T_0$ and $D_min$. From this experimental results, band tail carriers participate not only in the creation of the metastable state but also in the annealing processes. Therefore, we must take into account of band tail carrier effect on metastable state creation or annealing processes when $n_BT$ is large.
본 논문에서는, 보상형 시료와 델타 도핑된 비정질 실리콘에서 발견되는 여러가지 준안정 상태를 관찰하고, 급냉이나 빛을 조사함에 의해 생겨나는 잉여 수송자의 생성 기작에 대한 미시적인 모델을 제시하였다. 우선 여러가지 보상 비율에 따른 보상형 시료를 제작하고, 급냉에 의한 암전기 전도도의 변화를 관찰하였고, 델타 도핑한 시료도 p-형, n-형, 보상형으로 제작하여 전도도 변화량을 측정하였다. 실험 결과에 의하면 페르미 준위가 전도대나 가전도대에 가까와짐에 따라 잉여 전기 전도량의 변화율이 증가하였다. 그리고 이렇게 유도된 잉여 전도량은 서서히 원래 상태로 회복되게되는데, 이때의 이완(relaxation)형태는 glass에서 일반적으로 나타나는 Stretched Exponential(SE) 형태를 따른다. 이때 이완 시간(relaxation time)은 도핑하지 않은 시료나 균일하게 한가지만 도핑한 경우와는 달리, 상당히 짧아지게 된다. 이것은 이완 기작이 수소의 확산에 의해 매개된다는 사실을 뒷바침하게 된다. 밴드 테일 캐리어가 많이 존재할 때에는 그 영향이 준안정 상태의 annealing 과정에도 영향을 주게 된다. 이미 Street등이 수소의 확산이 밴드 테일 캐리어에 의해 enhance 될 수 있다는 사실을 발견 했는데, 본 논문에서는 이러한 밴드 테일 캐리어 들이 준안정 상태의 이완 과정에도 영향을 주는지를 살펴 보기위해, 몇가지 온도에서 보상형 시료에 빛을 주어 잉여 광전류를 형성하였다. 빛을 조사하는 온도를 일정하게 유지 하면서, 시간에 따른 잉여 광전류의 감쇄형태를 측정하였다. 감쇄 형태는 밴드 테일 캐리어 영향을 도입한 수소 확산 계수 $(D_H=(Dn_{BTε}+D_min)(vt)^-α)$를 이용한 수치 해석 결과의 잘 일치함을 볼 수 있다. 이때의 To 와 $D_min$값 α,β등은 일반적으로 받아들여지고 있는 값들을 이용하였다. 실험결과에 의하면, 밴드 테일 캐리어는 준안정 상태의 생성뿐만 아니라 annealing 과정에도 영향을 미침을 알 수 있다. 따라서 준안정 상태를 해석 하는데 있어서 밴드 테일 캐리어의 양이 많을 때에는 캐리어의 효과를 반드시 고려하여야 함을 밝혔다.
