Studies on electrical conduction mechanism and its relationship with sample heterogeneity are carried out for the DC glow discharge (GD) a-Si:H using the results of electrical conductivity, infrared (IR) absorption, hydrogen evolution, scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). In particular, the high temperature conductivity downward kink in Arrhenius plot (log σ versus 1/T plot) is presented as a powerful tool for studying conduction mechanism.
Firstly, it is shown that the temperature ($T_k$) at which kink occurs can be used to determine the thickness of band bending for both sides of top surface and substrate-sample interface. That is, $T_k$ is thickness-sensitive and the rapid increase in $T_k$ is observed around the sample thickness of 0.24㎛ which is well in agreement with the critical thickness reported by others.
Secondly, comparing the electrical conductivity data with the hydrogen evolution spectra, the IR absorption spectra and the SEM and TEM micrographs, it is proposed that the downward kink could be interpreted by the series-connection of tightly and loosely hydrogen-bonded (micro-structural and intermicrostructural) regions with different band structures and the upward kinks in heavily doped samples by the model of two transport path.
Thirdly, it is reported for the first time that the downward kink can appear or disappear after successive annealing depending on samples, and the upward shift in $T_k$ by annealing occurs for the samples showing kinks. These results are interpreted to be due to the microstructural and compositional change in heterogeneity caused through the diffusion and rearrangement of atoms (coalescence).
Finally, the morphological studies of sample growing are carried out using SEM and TEM micrographs. It is observed that the dimension of microstructures in DC GD samples is several ten times larger than the one in RF GD samples. Here the formation of microstructure is explained in terms of hydrogen incorporation hindering the lateral growing. The concept of hydrogen incorporation is used to interpret the dependence of growing morphology on deposition temperation, sample thickness, doping, deposition rate and substrate material. The density and the surface smoothness of microstructure is tentatively interpreted in terms of the collision of top surface atoms with accelerated plasma species during deposition and temperature-dependent atomic relaxation.
수소화된 비정질 반도체에서 전기전도 메카니즘과 시료의 이질성과의 관계를 연구하였다. 특히 전기전도 메케니즘은 전기전도도와 온도 역함수의 그림에서 활성화에너지가 고온에서 갑자기 변화하는 현상(kink : 킹크)을 중심으로 조사하였다. 고온에서의 킹크현상은 불순물이 첨가되지 않거나 적게 첨가된 시료에서 나타나는 하향킹크와 불순물이 많이 첨가되었을 때 나타나는 상향킹크로 나누어진다. 본 연구에서는 전기전도도의 결과를 온도에 따른 시료의 수소방출 실험의 결과와 적외선 흡수실험 결과, 전자현미경 사진 등과 비교하여 하향킹크현상이 이질적인 두 성분으로 구성된 시료에서 두 성분의 직렬연결의 결과임을 밝혔다. 또한 적절한 열처리를 통하여 원래 킹크가 나타나지 않던 시료로부터 킹크가 나타남을, 원래 킹크가 나타나던 시료로부터 킹크가 사라짐을 처음으로 관찰하였다. 즉 실온에서 만든 시료는 처음에는 하향킹크가 나타나지 않으나 열처리를 함에 따라 나타나며 $200^\circ{C}$ 이상에서 만든 시료는 처음에 나타나던 킹크현상이 열처리를 함에 따라 희미해진다. 이러한 현상은 열처리를 통한 시료의 이질적인 두 부분의 부피 변화로 설명 하였다. 하향킹크가 일어나는 온도는 시료두께의 함수인 점을 발견하였으며 $300^\circ{C}$에서 만든 시료의 두께와 킹크가 일어나는 온도 그림으로부터 에너지 밴드가 휘는 두께는 시료표면에서 0.24㎛ 임을 정하였다. 불순물이 많이 첨가되었을 때 나타나는 상향킹크는 킹크가 일어나는 온도를 중심으로 한 전기전도 메카니즘의 변화로 설명하였다.
끝으로 주사 및 투과 전자현미경 사진으로 수소화된 비정질 규소 박막의 성장과정을 조사하였다. 시료제작 온도, 시료의 두께, 불순물 및 시료기판의 물질이 시료의 이질적 구조성장에 미치는 영향을 조사하였으며 시료에서 미세구조가 성장하는 과정을 수소원자의 단말효과와 규소원자의 이완개념을 사용 하여 설명하였다. 한편 불순물이 많이 첨가된 시료에서는 미세구조가 나타나지 않는데 이는 수소원자의 단말효과보다 불순물의 교량효과가 컸기 때문이라 설명하였다.
