HAL Id: jpa-00220928
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Submitted on 1 Jan 1981
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DEFECT CREATION BY OPTICAL EXCITATION IN HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON :
TIME-RESOLVED LUMINESCENCE AND ODMR MEASUREMENTS
K. Morigaki, I. Hirabayashi, Y. Sano, S. Nitta
To cite this version:
K. Morigaki, I. Hirabayashi, Y. Sano, S. Nitta. DEFECT CREATION BY OPTICAL EXCI- TATION IN HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON : TIME-RESOLVED LUMINESCENCE AND ODMR MEASUREMENTS. Journal de Physique Colloques, 1981, 42 (C4), pp.C4-335-C4-338.
�10.1051/jphyscol:1981471�. �jpa-00220928�
D E F E C T CREATION B Y OPTICAL EXCITATION IN HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON : TIME-RESOLVED LUMINESCENCE A N D ODMR MEASURERXNTS
K. Morigaki, I. Hirabayashi, Y . Sano and S. ~ i t t a *
I n s t i t u t e for Solid State Physics, University of Tokyo, Roppongi, Tokyo 106, Japan
"Faculty of Engineering, Gifu University, Kakamihara, Gifu
504,Japan
A b s t r a c t . - We p r e s e n t e v i d e n c e f o r d e f e c t c r e a t i o n b y p r o l o n g e d l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n a t l o w t e m p e r a t u r e s i n a - S i : H f r o m t h e t i m e - r e s o l v e d l u m i n e s c e n c e a n d o p t i c a l l y d e t e c t e d m a g n e t i c r e s o n a n c e m e a s u r e m e n t s .
We h a v e r e p o r t e d ( 1 ) t h a t a f t e r p r o l o n g e d i l l u m i n a t i o n b y l a s e r l i g h t , f a t i g u e e f f e c t o c c u r s i n l u m i n e s c e n c e o f h y d r o g e n a t e d a m o r p h o u s s i l i c o n ( a - S i : H ) a t l o w t e m p e r a t u r e s a n d t h a t t h i s e f f e c t a r i s e s f r o m a n e n h a n c e m e n t o f n o n r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n d u e t o l i g h t - c r e a t e d d e f e c t s ( d a n g l i n g b o n d c e n t r e s ) . E v i d e n c e f o r c r e a t i o n b y i l l u m i n a t i o n o f s u c h d e f e c t s a c t i n g a s n o n r a d i a t i v e c e n t r e s h a s a l s o b e e n p r o v i d e d b y ESR m e a s u r e m e n t s a t l o w t e m p e r a t u r e s ( 2 ) . We h a v e a l s o o b s e r v e d ( 2 ) t h a t p r o l o n g e d CW l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n c a u s e s t h e l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y t o d e c a y s i g n i f i c a n t l y f a s t e r t h a n b e f o r e t h e i l l u m i n a t i o n , p a r t i c u l a r l y i n t h e l o n g d e l a y t i m e r e g i o n . T h i s r e s u l t h a s b e e n
i n t e r p r e t e d a s f o l l o w s : L u m i n e s c e n c e a p p e a r i n g a t a l o n g d e l a y t i m e r e g i o n o c c u r s a s a r e s u l t o f r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n o f d i s t a n t e l e c - t r o n - h o l e p a i r s . B e f o r e a n e l e c t r o n o f s u c h a p a i r r e c o m b i n e s w i t h a h o l e , i t h a s a g r e a t e r p r o b a b i l i t y t o r e c o m b i n e n o n r a d i a t i v e l y a t a d a n g l i n g b o n d c e n t r e t h a n f o r a n e l e c t r o n o f c l o s e r p a i r s . A s a r e s u l t , t h e l u m i n e s c e n c e d e c a y may b e f a s t e r i n t h e l o n g d e l a y t i m e r e g i o n when t h e d a n g l i n g b o n d c e n t r e s a r e c r e a t e d b y p r o l o n g e d l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n . F a t i g u e e f f e c t i n t h e l u m i n e s c e n c e o f a - S i : H h a s a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d b y P a n k o v e a n d B e r k e y h e i s e r ( 3 ) a n d b y S h a h a n d D i G i o v a n n i ( 4 ) .
I n t h i s p a p e r we p r e s e n t f u r t h e r e v i d e n c e f o r d e f e c t c r e a t i o n b y p r o l o n g e d l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n f r o m t h e t i m e - r e s o l v e d (TR) l u m i n e s - c e n c e a n d o p t i c a l l y d e t e c t e d m a g n e t i c r e s o n a n c e (ODMR) e x p e r i m e n t s i n a - S i : H . S a m p l e s w e r e p r e p a r e d b y g l o w d i s c h a r g e d e c o m p o s i t i o n o f s i l a n e d i l u t e d t o 1 0 % i n a r g o n w i t h a n i n d u c t i v e l y c o u p l e d s y s t e m a t 3 0 0 ° C a n d a l s o o f p u r e s i l a n e w i t h a c a p a c i t i v e l y c o u p l e d s y s t e m a t 3OO0C.
T h e TR l u m i n e s c e n c e m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t a t 1.8K i n a - S i : H p r e p a r e d b y t h e i n d u c t i v e l y c o u p l e d s y s t e m , u s i n g a p u l s e d d y e l a s e r w i t h a p u l s e w i d t h o f 1 0 n s a n d a p e a k p o w e r o f 0 . 8 kW. A f t e r p a s s i n g t h r o u g h a s i n g l e p r i s m m o n o c h r o m a t o r , e m i t t e d l i g h t f r o m t h e s a m p l e w a s d e t e c t e d b y a n S - 1 p h o t o t u b e . B e f o r e t h e TR l u m i n e s c e n c e m e a s u r e m e n t s , t h e s a m p l e w a s i l l u m i n a t e d b y a r g o n i o n l a s e r l i g h t a t 5 1 4 . 5 nm ( 2 . 4 1 eV) w i t h t o t a l p h o t o n n u m b e r s o f 5 . 4 X 1 0 z 2 cm-2 a t 1 . 8 K t o e f f e c t f a t i g u e o f l u m i n e s c e n c e . T h i s i l l u m i n a t i o n r e s u l t e d i n 4 0 % r e d u c t i o n ( f a t i g u e ) o f t h e CW l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y . T h e n , t h e s a m p l e w a s s u b j e c t e d t o t h e TR l u m i n e s c e n c e m e a s u r e m e n t s w i t h e x c i t a - t i o n e n e r g i e s o f 2 . 5 3 eV a n d 2 . 1 3 eV. T h e p u l s e d l a s e r l i g h t o f 2 . 5 3 eV e x c i t e s t h e r e g i o n w h e r e d e f e c t s h a v e b e e n c r e a t e d b y p r o l o n g e d CW
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JOURNAL DE PHYSIQUE
0.1 1 10 100 loo0
DELAY TIME (pS) DELAY TIME ( v s )
> I
I- -
16'-
I- Z
- 1o2-
U W
z
g
10"-V) W z
1s-
2
10"-
F i g . 1 : L u m i n e s c e n c e d e c a y a s a f u n c t i o n o f d e l a y t i m e m e a s u r e d a t 1 . 8 K b e f o r e a n d a f t e r f a t i g u e
( s e e t h e t e x t )
.
a-Si: H
8 ,&,, 1.8 K E,L= 2.13 eV
.
Eabl.= 1.42 eV
$.a:.
' $ BEFORE FATI-'
%
A F T E R FATIGUE*:..
*"+.
-'z:.
*%.
+*: ..*:.
"x:;,
+. .. ..'.
'( a ) E x c i t a t i o n p h o t o n e n e r g y a n d l u m i n e s c e n c e e n e r g y a r e 2 . 5 3 eV a n d 1 . 4 0 eV, r e s p e c t i v e l y . The d e c a y c u r v e t a k e n a f t e r a n n e a l i n g t h e s a m p l e a t 350 K i s a l s o shown.
( b ) E x c i t a t i o n p h o t o n e n e r g y a n d l u m i n e s c e n c e e n e r g y a r e 2 . 1 3 eV a n d 1 . 4 2 eV, r e s p e c t i v e l y .
;
A
i lb 1bo 1doo
l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n , w h i l e t h a t o f 2 . 1 3 eV b o t h r e g i o n s c o n t a i n i n g l i g h t - c r e a t e d d e f e c t s a n d n o t c o n t a i n i n g them. I n o u r c a s e , t h e p e n e - t r a t i o n d e p t h s o f 2 . 1 3 eV, 2 . 4 1 eV a n d 2 . 5 3 eV a r e e s t i m a t e d t o b e
-
0 . 3 u r n , - 0 . 1
u m
a n d l e s s t h a n 0 . 1 pm, r e s p e c t i v e l y . Thus i t i s e x p e c - t e d t h a t i n t h e c a s e o f 2 . 5 3 eV e x c i t a t i o n , t h e p r e - i l l u m i n a t i o n c a u s e s t h e l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y t o d e c a y s i g n i f i c a n t l y f a s t e r t h a n b e f o r e t h e i l l u m i n a t i o n , b u t i n t h e c a s e o f 2 . 1 3 eV e x c i t a t i o n t h e d i f f e r e n c e i n l u m i n e s c e n c e d e c a y b e t w e e n b e f o r e a n d a f t e r t h e p r e - i l l u m i n a t i o n i s n o t s o r e m a r k a b l e a s t h e c a s e o f 2 . 5 3 eV e x c i t a t i o n . F i g u r e s 1 ( a ) a n d (b) show t h e l u m i n e s c e n c e d e c a y a t 1 . 4 eV b e f o r e a n d a f t e r f a t i g u e u n d e r t h e e x c i t a t i o n s o f 2 . 5 3 eV a n d 2 . 1 3 eV, r e s p e c t i - v e l y . The d e c a y c u r v e t a k e n a f t e r a n n e a l i n g t h e s a m p l e a t 3 5 0 K i s a l s o shown i n F i g . l ( a ) . A s s e e n i n t h e s e f i g u r e s , t h e a b o v e e x p e c t a - t i o n i s r e a l i z e d i n t h e l u m i n e s c e n c e d e c a y b e h a v i o u r s .We h a v e c a l c u l a t e d t h e TR l u m i n e s c e n c e s p e c t r a , t a k i n g i n t o a c c o u n t r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n o f t r a p p e d e l e c t r o n - h o l e p a i r s a n d a l s o n o n r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n a t d a n g l i n g b o n d c e n t r e s . The d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h i s c a l c u l a t i o n i s g i v e n i n r e f . ( 5 ) . F i g u r e 2 s h o w s c a l c u l a t e d l u m i n e s c e n c e d e c a y c u r v e s w i t h two c o n c e n t r a t i o n s o f d a n g l i n g b o n d c e n t r e s , n a m e l y 8 X 1 0 1 6 cm-3 a n d L . 6 X 1 0 1 7 ~ m w h i c h - ~ c o r r e s p o n d t o t h e c a s e s o f b e f o r e a n d a f t e r f a t i g u e , r e s p e c t i v e l y . The c a l c u l a t e d d e c a y c u r v e s e x h i b i t two s t a g e d e c a y i n a s i m i l a r way t o t h e o b s e r v e d o n e s . A f t e r f a t i g u e , t h e l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y d e c r e a s e s i n t h e w h o l e d e l a y t i m e r e g i o n , p a r t i c u l a r l y i n t h e l o n g d e l a y t i m e r e g i o n , i n a c c o r d a n c e w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . A n o t h e r f e a t u r e o f t h e TR l u m i n e s c e n c e i s a l s o e x p l a i n e d i n t e r m s o f t h i s m o d e l c a l c u l a t i o n ( 5 )
.
l e s , u p p e r c u r v e ) a n d 1 . 6 X 1 0 1 7 cm-3 ( s o l i d r h o m b i , l o w e r c u r v e ) .
0.1 1 10 100 1000
DELAY TIME ( pS
I n t h e f o l l o w i n g , we p r e s e n t t h e ODMR r e s u l t s i n a - S i : H p r e p a r e d b y t h e c a p a c i t i v e l y c o u p l e d s y s t e m . The O D M R m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t a t 2 K a n d 1 0 GHz, u s i n g a c o m b i n a t i o n o f a k l y s t r o n ( l l V 5 4 ) a n d a t r a v e l l i n g w a v e t u b e ( l l W 7 1 ) a s a m i c r o w a v e s o u r c e . The ODMR s i g n a l w a s d e t e c t e d b y m o n i t o r i n g t h e i n t e n s i t y o f e m i t t e d l i g h t c o m i n g o u t t h r o u g h a s i n g l e p r i s m m o n o c h r o m a t o r f r o m t h e s a m p l e e x c i t e d b y u n f o c u s e d a r g o n i o n l a s e r l i g h t a t 5 1 4 . 5 nm. A c o o l e d Ge d e t e c t o r was u s e d f o r d e t e c t i o n o f e m i t t e d l i g h t . T h e m i c r o w a v e p o w e r w a s c h o p p e d a t 1 kHz a n d t h e ODMR s i g n a l w a s d e t e c t e d u s i n g a n a u t o - p h a s e l o c k i n a m p l i f i e r .
F i g u r e 3 s h o w s t h e ODMR s p e c t r a d e t e c t e d b y m o n i t o r i n g t h e i n - t e n s i t y o f e m i t t e d l i g h t a t 1 . 0 6 6 pm ( 1 . 1 6 3 eV) u n d e r e x c i t a t i o n b y u n f o c u s e d a r g o n i o n l a s e r l i g h t o f 2 5 mW a t 5 1 4 . 5 nm f o r t w o c a s e s , t h a t i s , b e f o r e a n d a f t e r f a t i g u e . F a t i g u e o f l u m i n e s c e n c e w a s e f f e c t e d b y a r g o n i o n l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n a t 5 1 4 . 5 nm w i t h t o t a l p h o t o n n u m b e r s o f 2.4 X cm-2 a t 2 K . T h e ODMR s p e c t r a i n F i g . 3 c o n s i s t o f a b r o a d l i n e , A , a n d a n a r r o w l i n e , D2, w h i c h c o r r e s p o n d t o a n i n c r e a s e a n d a d e c r e a s e i n t h e l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y , r e s p e c - t i v e l y . The g - v a l u e a n d l i n e w i d t h o f t h e A l i n e d e p e n d u p o n e m i t t e d p h o t o n e n e r g y ( 6 ) a n d m i c r o w a v e p o w e r (7). T h e A l i n e ( g = 2 . 0 0
-
2 . 0 1 2 ) a n d t h e D2 l i n e ( g = 2 . 0 0 6 ) h a v e b e e n i d e n t i f i e d a s d u e t o t h e t r a p p e d h o l e s a n d t h e d a n g l i n g b o n d c e n t r e s , r e s p e c t i v e l y ( 6 1 , ( 7 1 ,
( 8 ) . T h e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e s p e c t r a l d e p e n d e n c e s o f t h e s e ODMR s i g n a l s a n d t h e m o d e l f o r r a d i a t i v e a n d n o n r a d i a t i v e r e c o m b i n a - t i o n s r e s p o n s i b l e f o r ODMR a r e g i v e n i n r e f . ( 6 ) .
A s s o c i a t e d w i t h f a t i g u e e f f e c t o f l u m i n e s c e n c e , t h e a b s o l u t e m a g n i t u d e o f t h e r e l a t i v e c h a n g e i n t h e l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y a t t h e D2 ( d a n g l i n g b o n d ) c e n t r e r e s o n a n c e a f t e r f a t i g u e i n c r e a s e s w i t h a f a c t o r o f - 2 c o m p a r e d t o b e f o r e f a t i g u e , w h i l e t h a t f o r t h e A c e n t r e r e s o n a n c e d e c r e a s e s w i t h a f a c t o r o f
-
0 . 3 . T h i s r e s u l t c l e a r l y i n d i - c a t e s t h a t t h e d a n g l i n g b o n d c e n t r e s a r e c r e a t e d b y p r o l o n g e d l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n . We h a v e e x a m i n e d f a t i g u e e f f e c t o n s p e c t r a l d e p e n - d e n c e s o f t h e ODMR s i g n a l s , w h i c h w i l l b e r e p o r t e d e l s e w h e r e .JOURNAL DE PHYSIQUE
F i g . 3 : ODMR s p e c t r a o b t a i n - e d a t 2 K b e f o r e a n d a f t e r f a t i g u e ( s e e t h e t e x t ) .
, x 2
1 1 I I 1
3 . 4 3.5 3.6 3.7 3.8
MAGNETIC FIELD ( k t )
I n s u m m a r y , w e h a v e s h o w n f r o m t h e T R l u m i n e s c e n c e a n d ODMR m e a s u r e m e n t s t h a t p r o l o n g e d l a s e r l i g h t i r r a d i a t i o n c r e a t e s t h o s e d e f e c t s ( d a n g l i n g b o n d c e n t r e s ) w h i c h a c t a s n o n r a d i a t i v e c e n t r e s i n a - S i : H .
A c k n o w l e d g e m e n t s . - W e a r e g r a t e f u l t o P r o f e s s o r S . M i n o m u r a , D r . K . T s u j i a n d M r M. W a k a g i f o r c o o p e r a t i o n i n t h e p r e p a r a t i o n o f t h e s a m p l e s w i t h t h e c a p a c i t i v e l y c o u p l e d s y s t e m . T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d i n p a r t by t h e G r a n t - i n - A i d f r o m t h e M i n i s t r y o f I n t e r n a t i o n a l T r a d e a n d I n d u s t r y a n d a l s o f r o m t h e M i n i s t r y o f E d u c a t i o n .
R e f e r e n c e s
( 1 ) M O R I G A K I K . , H I R A B A Y A S H I I . , NAKAYAMA M . , N I T T A S . a n d S H I M A K A W A K . , S o l i d S t a t e C o m m u n . 3 3 ( 1 9 8 0 ) 851.
( 2 ) H I R A B A Y A S H I I , M O R I G A K I a n d N I T T A S . , J a p a n . J . A p p l . P h y s . 1 9 ( 1 9 8 0 ) L 3 5 7 .
( 3 ) P A N K O V E J . I . a n d B E R K E Y H E I S E R J . E . , A p p l . P h y s . L e t t .
37
( 1 9 8 0 ) 7 0 5 .
( 4 ) S H A H J . a n d D I G I O V A N N I A . E . , S o l i d S t a t e C o m m u n .
37
( 1 9 8 1 ) 1 5 3 . ( 5 ) H I R A B A Y A S H I I . , M O R I G A K I K . a n d N I T T A S . , t h i s v o l u m e ; T e c h . R e p .I S S P , S e r . A , N o . 1 1 2 8 ( 1 9 8 1 ) .
( 6 ) M O R I G A K I K . , S A N O Y . a n d H I R A B A Y A S H I I . , S o l i d S t a t e C o m m u n , t o b e p u b l i s h e d ; T e c h . R e p . I S S P , S e r . A , N o . 1 1 3 5 ( 1 9 8 1 ) .
( 7 ) M O R I G A K I K . , 3. P h y s . S o c . J a p a n , t o be p u b l i s h e d .
( 8 ) M O R I G A K I K . , D U N S T A N D . J . , C A V E N E T T B. C . , DAWSON P . , N I C H O L L S J . E . , N I T T A S . a n d S H I M A K A W A K . , S o l i d S t a t e C o m m u n .
