In this thesis, we have investigated the influence of residual gases including oxygen, nitrogen and air on the electrical and optical properties of electron beam evaporated a-Si and r.f. sputtered a-Si:H. The properties of films have been characterized by dark conductivity, photoconductivity, optical absorption, optical gap, ESR and infrared absorption.
It is shown that residual impurities can be incorporated into a-Si during vacuum evaporation in conventional high vacuum of $\sim3\times10^{-7}$ torr. The principal contaminant during vacuum evaporation is found to be oxygen impurity. The electrical and optical properties of a-Si under various deposition conditions could be explained by the degree of contamination which decreases with increasing either substrate temperature or deposition rate. From the annealing studies of spin density and optical gap for a-Si films, it is shown that the generation of dangling bond by high temperature annealing is closely related to the residual impurity incorporation into a-Si during sample preparation. The possible mechanisms of defect generation in conjunction with annealing measurements of infrared absorption were also discussed.
The properties of a-Si:H films have been investigated by varying deposition parameters including r.f. sputtering power, total reactive gas pressure and hydrogen partial pressure. It is shown that the changes of electrical and optical properties with decreasing the total gas pressure ($P_T$) at constant % hydrogen partial pressure from 20 m-torr to 5 m-torr is very similar to those produced by increasing r.f. power above 500 W at constant $P_T$. This result could be explained in terms of energetic positive ion bombardment. In connection to this the influence of hydrogen on optical band gap was discussed in terms of modification of silicon matrix rather than the simple elimination of localized states by hydrogen.
The role of oxygen impurity in a-Si:H is found to be quite different from that of nitrogen impurity. While oxygen impurity in a-Si:H leads to decrease of dark conductivity, photoconductivity and increase of optical gap, nitrogen impurity displays a donor action showing the increase of photoconductivity and the decrease of activation energy of dark conductivity. However, in addition to donor action, nitrogen impurity introduced defect states which is shallow non-doping states with increasing nitrogen incorporation. The air incorporated a-Si:H film showed grossly similar feature of nitrogen doped a-Si:H films. However some different features are also found in dark conductivity and photoconductivity and attributed to the formation of oxygen-nitrogen complex with high air doping.
During this study, it is found that the optical gap of amorphous silicon-based film can be dertermined more clearly by the cube-root approximation than the conventional square-root approximation.
본 학위논문에서는 고진공상태에서도 존재하는 산소, 질소 등의 잔여 불순물이 a-Si과 a-Si:H 박막 반도체의 전기적 및 광학적 특성에 미치는 효과를 연구하였다. 이때 시료의 특성은 암전도도, 광전도도, 광흡수 및 광학적 간격, ESR 그리고 적외선 흡수 등의 실험으로 조사되었으며, 본 연구의 중요한 결과를 요악하면 다음과 같다.
첫째, 진공증착으로 a-Si 을 증착할 경우 약 $3 \times 10^{-7} torr$ 정도의 고진공 상태에서도 시료에 잔여 불순물이 침투될 수 있으며, 이때 침투되는 주된 잔여 불순물은 산소이다.
둘째, 진공증착시 시료에 침투되는 잔여 불순물의 량은 증착기판의 온도와 증착속력을 증가시킬수록 감소한다. 침투된 잔여불순물은 시료의 국재상태를 줄이는 역활을 하며 증착조건에 따른 시료의 특성변화는 잔여 불순물의 오염 정도로써 설명할 수 있다.
셋째, a-Si을 증착한 후 고온에서 열처리($400\,^\circ\!C$ 이상)했을 때 시료가 결정질 상태에 이르기 전에 시료의 dangling bond 가 증가하는 것은 불순물의 오염과 밀접히 연관되어 있으며, 그 가능한 mechanism 을 제시하였다.
넷째, r.f. 스퍼터링 방법으로 제조되는 a-Si:H 은 여러가지 증착조건에 따라 그 특성이 변화되는데 특히 수소와 아르곤의 일정한 압력비에서 r.f. 입력을 증가시키는 것은 일정 r.f. 입력에서 총 반응가스의 입력을 감소시키는 효과와 유사함을 관측하였으며 이 결과는 위의 증착조건에 따라 증착시 강한 양이온들의 충돌이 시료의 생장에 미치는 효과로서 설명할 수 있었다. 이 결과로 부터 a-Si:H 에 존재하는 수소 역활은 단순히 국재 상태를 줄이는 개념으로만 이해할 것이 아니라 증착조건 및 수소가 Si matrix 의 disorder 에 영향을 미쳐 결과적으로 국재 상태를 줄이는 개념으로 이해되어야 함을 논의하였다.
다섯째, r.f. 스퍼터링 방법으로 제조된 a-Si:H에서 산소와 질소의 역활은 매우 다르다. 즉 a-Si:H 에 산소가 침투되면 암전도도 및 광전도도가 줄어들고 광학적 간격이 넓혀지는 반면 질소가 침투되면 암전도도와 광전도도가 증가되고 광학적 간격이 줄어드는 효과를 가져 온다. 그리하여 질소는 a-Si:H에서 donor와 비슷한 역활을 하게 되나 질소의 양에 비례하여 광전도도가 증가하지는 않으며 따라서 인(p)처럼 완전한 donor의 역활을 하지 못함을 관측하였다. 이는 침투된 질소중 극히 일부분만 donor 의 역활을 하여 그 밖의 많은 질소는 시료의 국재상태를 증가시키는 효과를 가져오는 것으로 설명되었다. 특히 산소가 침투되면 광전도도가 감소하는 것을 고려하여 좋은 시료를 만들기 위해서는 시료 증착시 산소의 침투를 최소로 줄이도록 노력해야만 한다. 공기를 doping 하면 그 양이 작을 때는 시료의 특성이 질소를 침투시킨 것과 유사한 효과를 가져오나 많이 침투될 경우에는 산소와 질소의 어떤 복합체가 생성되어 질소를 침투시킨 효과와 다르게 됨을 관측하였다.
여섯째, 스퍼터링 방법으로 제조된 본 연구의 a-Si:H박막들은 고온으로 열처리하여 암전도도를 측정해보면 소위 말하는 전기전도도 kink 현상이 관측되며 이는 공기를 침투시켰을 때 더욱 명확하게 관측되었다. 따라서 불순물과 kink현상 사이에 어떤 상관 관계가 있는지는 앞으로 계속 연구되어야 할 과제이다.
끝으로 비정질 규소 박막(amorphous silicon-based film) 의 광학적 금지대 간격은 보통의 $(\alpha h\nu)^\frac{1}{2}$ 대 $h\nu$ 그림대신 $(\alpha h\nu)^\frac{1}{3}$ 대 $h\nu$ 그림으로 부터 보다 명확하게 결정될 수 있음을 보였다.
