Na etapa de desenvolvimento do projeto de obten~ao dos filmes de a-Si:H por descarga luminescente (glow discharge) a 60 Hz, a caracteriza<;ao dos filmes teve como objetivos principais, primeiro obter os parametros nos quais 0 reator produz filmes de qualidade eletronica, e posteriormente levantar dados de algumas propriedades estruturais e de transporte deste material.
Para a primeira parte da caracteriza<;ao, que podemos chamar mats propriamente de caracteriza~ao do reator, nos elegemos como propriedades fundamentais a condutividade no escuro 0 d e a foto-sensibilidade F..f) (a razao entre a fotocondutividade 0 p h e a d ) do material. Na medida de a d , aproveitamos 0 sistema experimental para medir tambem a energia de ativa<;aoEa do processo de condu<;ao~ este resultado, mais a medida do g a p optico fomece uma boa indica<;ao do valor do Nivel de Fermi do material, como veremos a seguir. Na caracteriza<;ao do reator nos tambem investigamos propriedades estruturais dos filmes, mais especificamente 0 nUmero de liga<;oes SiH e SiH2, atraves de medidas de transmitancia no infra-vermelho distante.
Conforme foi discutido na Se<;ao3.11. deste trabalho, os parametros variados na caracteriza<;ao do reator foram a pressao de deposi<;ao e a temperatura do substrato. A pressao de deposi<;ao foi variada desde 0, I torr ate 2,0 torr, enquanto que a temperatura foi variada na faixa de 50 a 250°C. Para os resultados mostrados ainda nesta Se<;ao, quando a pressao de deposi<;ao e variada a temperatura do substrato e
mantida em 170°C, ao passo que quando variamos a temperatura do substrato a pressao de deposi~ao e mantida a 0,5 torr. As razoes para estas escolhas ficarao c1aras no re1ato a seguir.
Para os filmes de qualidade eletronica (segundo indica~ao de f:r;;; e de a d ) realizamos medidas complementares para aferir propriedades estruturais e de transporte. No caso da estrutura, nos medimos a Energia de
Urbach Eo
do material, uma indica~ao da desordem estrutural presente nos filmes66; a tecnica por nos usada para medir 0Urbach edge
e
conhecida porConstant Photocurrent Method (CPM).
No caso do transporte de portadores, nos medimos 0 comprimento de difusao ambipolar L(b atraves da tecnica conhecida como Steady State Photocarrier Grating (SSPG). Para efeito de compara<;ao, estas propriedades foram medidas em dois tipos de fUmes:i) urn primeiro tipo, depositado em condi<;5es otimas, quais sejam pressao de deposi<;ao de 0,5 torr, temperatura de substrato de 170°C, e fluxo alto~
ii) urn segundo tipo, depositado ainda em condi<;5es otimas, porem agora com 0
fluxo baixo.
As propriedades destes dois tipos de fiImes foram tambem comparadas com as de urn depositado segundo procedimento padrao, qual seja descarga luminescente a RF.
Em rela<;ao as propriedades, podemos classificar a caracteriza<;ao por nos realizada em tres tipos basicas:
i) caracteriza<;ao eletrica e eletro-optica, ii) caracteriza<;ao optica,
iii) e caracteriza<;ao estrutural.
Passamos agora a descrever cada uma das tecnicas usadas na caracteriza<;ao dos filmes de a-Si:H, segundo a divisao apontada acima. No fmal da descri<;ao das tecnicas, nos mostramos os resultados obtidos para os filmes obtidos no reator a 60 Hz.
4 .2 . C a r a c te r iz a c a o E le tr ic a e E le tr o -6 p tic a
Neste item descreveremos as tecnicas eletricas e eletro-6pticas usadas para caracterizar os filmes de a-Si:H. Aqui, damos enfase nas medidas relacionadas com a fotocondutividade (a propria a p h ' a medida do parametro I, e a medida do
comprimento de difusao ambipolar Lei)' mais a medida da condutividade no escuro a d ' No que diz respeito
it
medida de a p h e a de 1 seremos bastante genericos,ja
que tratam-se de tecnicas bastante conhecidas; por outro lado, na medida de Ld seremos detalhistas, ja que trata-se de uma tecnica recente, elegante, prMica, e segundo nosso conhecimento ate agora inedita no Brasil.4 .2 .1 . F o t o c o n d u t iv id a d e
Os filmes fmos de a-Si:H caracterizam-se pelo elevado valor da sua foto-
sensibilidade~ os melhores resultados indicam valores da ordem de 105 para esta
propriedade. Isto significa que amostras de qualidade eletronica de a-Si:H devem apresentar, simultaneamente, alta fotocondutividade e baixa condutividade no escuro. Dai, tomarem-se imperiosas as medidas destas propriedades.
A fotocondutividade e urn incremento na condutividade eletrica a partir da gera~ao de pares eIetrons-buracos no interior do semicondutor pela absor~ao de fotons
incidentes originarios de urna fonte de radia~ao eletromagnetica. 0 a-Si:H tern como
caracteristica principal 0 fato desta absor~ao de fotons ocorrer primordialmente na
regiao de emissao do espectro solar. Isto faz com que este material tenha aplica~5es 6bvias em dispositivos que utilizem a conversao fotovoltaica.
A absor~ao fundamental ocorre quando urn eletron e excitado a partir da banda de valencia para a banda de condu~ao atraves da absor~ao de urn foton. Apesar da descri~ao em termos de bandas de energia ser tipica de materiais cristalinos, e possivel
a utiliza~ao destes termos para 0 a-Si:H; neste caso, as bandas de energia saD
originarias das configura~5es ligante e anti-ligante das liga~5es quimicas Si-Si
presentes no solido; nesta descri~ao,0 elevado niunero de estados presentes no g a p e
explicado pelas liga~5es quimicas Si-H, cuja energia se localiza exatamente entre as energias dos estados ligante e anti-ligante67.
use -
SER Vlc;O Dc:: BIBLIO TEC Ao
fenomeno da condu9ao e de especial interesse no estudo da fisica dos semicondutores. A condu9ao consiste no movimento dos eletrons e buracos, e so e possivel quando urna certa quantidade de energia cinetica pode ser transferida aos portadores. Isto ocorre quando a energia dos fotons que incidem sobre 0 semicondutor e suficiente para vencer 0 seu gap de energia.Em geral, a fotocondutividade e medida com urna luz branca, cuja potencia e controlada por urna fonte estabilizada e medida por urn dispositivo fotovoltaico calibrado. Por motivos de facilidade, nos optamos por usar como fonte de excita9ao lurninosa urn laser de He-Ne (I-. = 0,6328 JlI1l) cuja potencia e de 5 mW; este
comprimento de onda e suficiente para excitar portadores acima da banda de condu9ao, ja que 0 gap de energia deste material nao excede a 1,8 eV, 0 que
corresponde a I-. = 0,6875 /-lm.
o
dispositivo experimental usado para medir a fotocondutividade e bastante simples, consistindo apenas de urn laser He-Ne Modelo HN-40-P da Carl Zeiss, e de urn espelho convexo, cuja fun9aO e abrir 0 feixe laser de forma que 0 seu spot cubra toda a regiao entre os contatos eletricos. Estes contatos consistem de duas faixas coplanares (largura de 1 mm e espa9amento de 0,5 mm) de tinta prata ou aluminio. A fonte de tensao e 0 eletrometro estao agrupados no mesmo equipamento, urneletrometro Keithley Modelo 617; para as medidas de corrente usamos urna tensao de 40 V. Urn esquema experimental deste dispositivo pode ser visto na Figura 4.1.. Com este arranjo, 0 valor da fotocondutividade e dado por:
I
C Y ph= --Iph.
edV
on de I e 0 comprimento dos contatos, d 0 espa9amento entre eles, e a espessura da
amostra, V a tensao aplicada entre os contatos, e Ip h a fotocorrente medida no
"~ l--J
V
amostra
Embora 0 a-Si:H seja fortemente fotocondutor, 0 conhecimento do valor da sua
condutividade no escuro e muito importante na caracteriza~ao deste material. A razao para este fato reside em que a qualidade do filme depositado pode ser averiguada quando a condutividade e medida em fun~ao da temperatura.
Se 0 filme de a-Si:H apresentar boa qualidade, devemos esperar urn
comportamento do tipo Arrhenius para a condutividade68, isto e:
CYd
=
cyoexp( _ Ea ), kBTque e caracterisitica de sistemas termicamente ativados; na Equa~ao (4-2), Ea e a
energia de ativa~ao do processo de condu~ao, kB e a constante de Boltzmann eTa
temperatura da amostra.
Caso a qualidade do filme depositado nao seJa boa, devemos esperar urn comportamento diferente para a condutividade. Como e conhecido, urna das principais
caracterisiticas do a-Si:H e apresentar uma elevada densidade de estados no g a p ;
quando isto acontece, urna outra possibilidade para 0 processo de condu~ao e 0 saito
(h o p p in g ) dos portadores de estado para estado dentro do g a p , ate que estes alcancem
a banda de condu~ao. Este processo e bastante ineficiente, urna vez que os portadores
tern que passar por inu.meros estados intermediarios ate chegarem
a
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(3,2)
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