수소화된 비정질 실리콘
Hydrogenated amorphous silicon
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비정질 실리콘의 구조적 특성
다이아몬드 구조의 결정질 실리콘
결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 원자 결합과 에너지 밴드
비정질실리콘의 구조적 특성
● 장거리 질서가 없다.
● 대부분 결합수가 4이다 (수소 본딩은 예외).
● Rigid 구조를 갖는다.
● Bond length : 2.35 Å (5 %); Bond angle : 109.5o (10 %) Short range order
수소화된 비정질 실리콘 및 실리콘 질화막 증착
● PECVD
● 최적증착조건<350C
기판온도/RF전력/이온 손상
● Cluster tool 장비
● SiH3 precursor
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그림 4.1 공유결합원소의 전 자배치. 일반적인 배치는 s 궤 도가 먼저 두 개의 전자에 의 하여 채워지고 p 궤도가 채워 지는 것이다. 그러나, 공유결 합에서는 혼성계가 보다 낮은 에너지를 갖고 있고 결과적으 로 혼성화된 sp궤도들이 나타 난다.
그림 4.2 두 개의 비정질 반도체 의 결합배치. 실리콘과 셀레니윰.
왼쪽에서 오른쪽으로 원자상태, 분자상태, 그리고 고체에서의 준 위가 넓어져 band를 형성하는 것을 보여주고 있다.
55 실리콘 원자 및 결정질 실리콘의 전자 결합
Atom Molecule Solid
P S
SP3 EF
Antibonding (Conduction band)
Bonding (Valence band)
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비정질실리콘의 상태밀도
● Band : Extended states
● Gap : Localized states
Localization, Surface states
수소화된 비정질 실리콘의 상태밀도
● 수소화 - Gap states 감소
● 주요 결함 (Defect) : Dangling bond Do, Sp3 :
● Disorder : Band tail states Bond angle, Bond length
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도핑된 수소화된 비정질 실리콘에서의 ESR 특성
state g-value △Hpp(0)/G U/eV (Υ/eV-1)/ESR Conduction
band tail 2.0043 5 ∼0.01 30
Dangling
band 2.0055 7 0.2 7-13
a-Si:H
Valence band tail
2.0100-2.0138 15-19 ∼0.4 22
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그림 4.6 a-Si:H gap 내에서의 상태 밀도. 시편은 silane중에서의 phosphine 부 피 밀 도 가 300vppm 로 doped 된 것 #1 과 #3(10 mol % silane in Ar)이고 60vppm으로 doped된 것이 #2(45 mol% silane in Ar)이다. 각각의 박막의 bulk Fermi level은 화살표 로 나타나 있다. 에너지 level들은 전도대 모서리 Ec에 수직이다.
그림 4.7 doping 된 것 과 doping 되 지 않 은 a-Si:H 시편에 대한 활 성화 에너지와 전도도 상 수 σ0 사 이 의 관 계.15 Meyer-Neldel의 법칙을 거의 따른다.
활 성 화 에 너 지 는 doping되지 않은 재료 의 1eV로부터 n형으로 doped 된 시 편 의
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그림 4.8 (a) 상온 전도도와 (b)불순물첨가 vs a-Si:H의 활성화에너지1. doping된 양 은 silane 에 대 한 phosphine 또 는 diborane 비, NPH3,(NB2H6)/NSiH4, 로 주어진다. 여기서 N은 혼 합기체내의 단위부피당 분 자수를 나타낸다.
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수소화된 비정질 실리콘의 광학적 특성
비정질 실리콘에서 광흡수계수의 측정방법 1. 흡수계수가 10-3 cm-1 보다 큰 경우 :
광투과도
2. 흡수계수가 10-3 cm-1 보다 작은 경우 :
Primary and secondary photoconductivity Photoacoustic spectroscopy
Photothermal deflection spectroscopy Constant photocurrent method (CPM)
그림 4.10 비행 시간 실 험의 (a) 전자와 (b) 홀 드리프트 이동도 그래프.
실선은 이론적인 그림으 로 지수 밴드 꼬리를 가 진 Multiple Trapping Transport Mechanism을 나타내고 있다. 전도대와 가전자대의 캐리어의 이
동 도 는 각 각
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그림 4.11 Traveling wave 실험의 단면도. α-Si:H막은 LiNbO3기 판으로부터 약 1μm미만 정도 위에 위치해 있다. 그 간격은 헬륨 가스로 채워져 있다.
그림 4.12 비정질 반도체의 흡수 가장 자리의 세 영역.
영역 A는 Tauc 가장 자리에 해당한다. 이 영역에서 α1/2 대 에너지의 외삽으로 비정 질 재료의 광학적인 간격을 얻을 수 있다. 영역 B의 지수 꼬리는 Urbach 가장 자리로 불려진다. 영역 C는 약한 흡 수 꼬리이다..
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그 림 3.13 TFT(BCE) 의 photo-current 대 a-Si:H 층 의 두 께 . 5,000lx의 조명은 일반 적으로 밑으로부터의 직접적인 backlight 조 명에 해당한다.
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그림 4.14 Urbach영역에 서 α-Si:H의 흡수 가장 자 리. 더 높은 Tauc간격를 가지는 막은 낮은 간격을 가지는 막의 200℃에 비해 250℃의 기판 온도에서 성 장시켰다. 수소양은 각각 높은 막과 낮은 막에 대해 14at.%와 19at.%이다.
비정질실리콘의 밴드갭
● Mobility gap : Ec - Ev
실험적으로 결정하기 매우 어려움
● 광학적 밴드갭
Tauc’s gap : Optical band gap 절편 :
기울기 : B
수소화된 비정질 실리콘에서 적외선흡수
● Vibrational absorption
● Si-Hn Si-H, SiH2, SiH3, (Si-H2)n Si-Si
● 수소량 계산
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그 림 4.15 230℃ 의 기 판 온 도 와 Ar:5 at%로 희석한 SiH4로 준비한 시료 α-Si:H의 IR 투과도.
수소화된 비정질 실리콘에서 Si-Hn 진동 모우드의 흡수 주파수
Group Stretching Bending Rocking Mode (cm-1)
SiH 2000 630
SiH2 2090 880 630
(SiH2)n 2090 ~ 2100 890, 845 630
75 Si-Hn 결합의 유형에 관련된 진동 모우드와 흡수 주파수
T = (1-R)2 exp(- at)/[1 - R2 exp(- 2at)]
T = 4 T02 exp(- at)/[(1 + T0)2 - (1 - T0)2 exp(- 2at)]
CH = A a(hn) dhn [at.%cm/eV]
A = 2000 cm-1 : 91019 cm-2 2100 cm-1 : 2.21020 cm-2 630 cm-1 : 2.11019 cm-2