Orientador: Ivan Emilio Chambouleyron

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Neste trabalho é apresentado um estudo dos efeitos da incorporação de In, Ga e AI nas propriedades optoeletrônicas dos filmes de germânio amorfo hidrogenado (a-Ge:H). Os filmes dopados de a-Ge:H foram preparados pelo co-sputtering de pequenas quantidades das espécies dopantes (In, Ga ou AI)...

Resumo: Neste trabalho é apresentado um estudo dos efeitos da incorporação de In, Ga e AI nas propriedades optoeletrônicas dos filmes de germânio amorfo hidrogenado (a-Ge:H). Os filmes dopados de a-Ge:H foram preparados pelo co-sputtering de pequenas quantidades das espécies dopantes (In, Ga ou AI) com um alvo cristalino de Ge, numa atmosfera de Ar+H2. A incorporação dos dopantes foi determinada pelas técnicas de Rutherford backscattering (In) e particle induced x-ray emission (Ga e AI). Da análise destes resultados foi estimado o valor do sputtering yield (Y) para In e Ga, para íons de Ar de ~ 600 eV, encontrando-se YIn ~ 2.4 átomos/íon e YGa ~ 1.6 átomos/íon. As diferentes séries de filmes foram caracterizadas por medidas de: transmissão óptica no UV-VIS, absorção no infravermelho, photothermal deflection spectroscopy (PDS), condutividade no escuro em função da temperatura, sinal de termopotência e espectroscopia Raman. Para os três tipos de dopantes encontrou-se um aumento na energia de ativação (Ea) da condutividade no escuro (de ~ 0.43 a ~ 0.55 eV) para pequenas concentrações, assim como uma contínua diminuição da condutividade à temperatura ambiente (sRT) [de ~ 5x10-5 a ~ 3x10-7 (W.cm)-1]. Estes dados indicam o deslocamento do nível de Fermi para o meio do gap, e a compensação por impurezas dos filmes de a-Ge:H não intencionalmente dopados (que são tipo-n). Altas concentrações de In, Ga ou AI produzem um decréscimo de Ea e um incremento de sRT, mostrando que o nível de Fermi continuou deslocando-se na direção da borda da banda de valência. Nestes casos o sinal de termopotência indica uma mudança de condução do tipo-n para o tipo-p. Relativo à desordem topológica no material dopado, foi encontrado que a cauda de Urbach permanece estável para baixas concentrações (~ 65 meV) incrementando-se para concentrações médias e altas até ~ 160 meV. As variações na energia da cauda de Urbach são uma conseqüência do incremento da desordem produzida pela incorporação dos átomos dopantes. Os resultados mostram que átomos substitucionais de In, Ga ou AI produzem um efeito de dopagem tipo-p na rede do a-Ge:H, com a criação de estados eletrônicos de caráter aceitador no pseudo-gap. Para altas concentrações foram observadas algumas diferenças na estrutura e processos de transporte, dependendo do tipo de impureza. Finalmente, são apresentados resultados da característica corrente-voltagem de interfaces de metal/a-Ge:H com propriedades retificantes. O melhor material para fazer- se a camada ativa destes contatos são os filmes de a-Ge:H compensados, já que possuem melhores propriedades eletrônicas que os filmes não intencionalmente dopados

Abstract: In this work a study of the effects of In, Ga and AI incorporation in the structural and optoelectronic properties of a-Ge:H films is presented. The doped a-Ge:H films were prepared by co-sputtering minute amounts of the dopant species (In, Ga or AI) with a c-Ge target in Ar+H2...

Abstract: In this work a study of the effects of In, Ga and AI incorporation in the structural and optoelectronic properties of a-Ge:H films is presented. The doped a-Ge:H films were prepared by co-sputtering minute amounts of the dopant species (In, Ga or AI) with a c-Ge target in Ar+H2 atmosphere. The dopant incorporation in the films was determined by Rutherford backscattering (In) and particle induced X-ray emission (Ga and AI). From the analysis of these results the sputtering yield values for In and Ga were estimated, found Yln ~ 2.4 atoms/ion and YGa ~ 1.6 atoms/ion for ~ 600 eV Ar ions. The different series of films were characterized by measurements of: optical transmission in the UV-VIS, absorption in the infrared, photothermal deflection spectroscopy (PDS), dark conductivity versus temperature, thermopower signal and Raman spectroscopy. For the three dopants the activation energy (Ea) of the dark conductivity is found to increase (from ~ 0.43 to ~ 0.55 eV) at small dopant concentrations, and a concomitant decrease of the room-temperature dark conductivity sRT [from ~ 5x10-5 to ~ 3x10-7 (W>.cm)-l] is measured. These data indicate a Fermi level shift towards mid-gap, the impurities compensating the non-intentionally doped a-Ge:H (n-type) films. Higher concentrations of In, Ga or AI produce a decrease of Ea and an increase of sRT, indicating that the Fermi energy is further shifting towards the valence band edge. Thermopower measurements indicate a change from n- to p-type conduction. Concerning the topological disorder in the doped material, it has been found that the Urbach tail energy stays around 65 meV for low concentrations, increasing for medium and higher concentrations up to 160 meV. These changes in Urbach tail energy are the consequence of an increased disorder produced by incorporation of dopant atoms. The results show that substitutional In, Ga or AI atoms produce, in the a-Ge:H network, na active p-type doping effect with the creation of acceptor-like electron states in the pseudo-gap. For higher concentrations were observed differences in the structure and process of transport depending on the kind of impurity. Finally, results of the current-voltage characteristic of metal/a-Ge:H interfaces with rectifying properties are presented. The a-Ge:H compensated films are the best material for the active layer of these contacts, due to better electronic properties that the non intentionally doped films