Investigation of meta- and in-stability effects in hydrogenated microcrystalline silicon thin films by the steady-state measurement methods

Abstract

Metastability effects because of atmospheric exposure, high purity gasses, and deionized water in hydrogenated microcrystalline silicon thin films with different crystalline volume fractions were studied using well accepted steady-state characterization methods of dark conductivity, steady-state photoconductivity, steady-state photocarrier grating (SSPG) and dual beam photoconductivity (DBP) methods. A standard measurement procedure has been established before using the steady state methods, in which a steady state condition of dark conductivity was established by monitoring the time dependence of dark conductivity. Samples deposited on smooth glass and rough glass substrates exhibit similar reversible and irreversible changes in the properties of microcrystalline silicon film. A reliable correlation of reversible and irreversible changes indicate that dark conductivity and photoconductivity values increase, sub-bandgap absorption spectrum obtained from DBP method decrease and correspondingly minority carrier diffusion lengths obtained from the SSPG method increase in the metastable state in various amount for microcrystalline films with crystalline volume fraction, I C RS > 0.30. Amorphous silicon and microcrystalline silicon films with I C RS < 0.30 do not show detectable metastable changes as samples exposed to atmospheric condition as well as high purity oxygen gas and deionized water.Résumé : Nous utilisons des méthodes de caractérisation stationnaire bien acceptées, comme la conductivité en obscurité, la photoconductivité stationnaire, la photoconductivité stationnaire par interférométrie laser (SSPG) et la photoconductivité modulée à deux faisceaux (DBP), afin d'étudier l'effet de la métastabilité dans des films minces de silicium microcristallin hydrogénés, suite à l'exposition à l'atmosphère, aux gaz de haute pureté et à l'eau dé-ionisé. Avant d'utiliser ces méthodes stationnaires, nous avons développé une procédure standard de mesure, dans laquelle la condition stationnaire de conductivité en obscurité est vérifiée en observant la dépendance en temps de la conductivité en obscurité. Les échantillons déposés sur des surfaces douces et rudes de substrats de verre montrent les mêmes changements réversibles et irréversibles dans les propriétés microcristallines des films de silicium. Une corrélation fiable des changements réversibles et irréversibles des propriétés des films microcristallins indique que les valeurs de conductivité en obscurité et de photoconductivité augmentent et que le spectre d'absorption sous la bande interdite obtenu de SSPG augmente dans les films microcristallins en état métastable pour lesquels la fraction cristalline en volume I C RS > 0.3. Les films de silicium amorphes et microcristallins avec I C RS < 0.3 ne montrent aucun changement métastable détectable lorsque les échantillons sont exposés aux conditions atmosphériques, à l'oxygène pur et à l'eau dé-ionisée. [Traduit par la Rédaction]