Defect levels in the amorphous selenium bandgap.

Abstract

De elektronische toestandsdichtheid in de bandkloof van amorf seleen (a-Se) is het onderwerp van deze thesis. Ondanks de lange voorgeschiedenis van amorf seleen als de eerste fotogeleidende halfgeleider, die onder meer werd gebruikt in fotocopiëerapparaten en als elektronische schakelaar, zijn een aantal van zijn eigenschappen nog steeds twijfelachtig en zelfs onbekend gebleven. Een kenschetsend voorbeeld van deze toestand is het feit dat, hoewel een zeer specifiek, op seleen gebaseerd model voor coördinatiedefecten met effectieve negatieve elektroncorrelatie-energie (negatieve-U) als tekstboekvoorbeeld wordt gebruikt voor dergelijke defecten in het amorfe rooster, sommige onderzoekers er nog aan twijfelen of de toestandsdichtheid van het amorfe seleen zelf wel dergelijke roosterdefecten omvat. Het gangbare model voor de toestandsdichtheid van a-Se werd in 1988 door Abkowitz voorgesteld. Naast steile bandstaarten aan beide zijden van de bandkloof bevat het model twee ondiepe defectniveaus, zowat 0.3 eV verwijderd van de bandkanten, en twee diepe vangstcentra ongeveer in het midden van de 1.95 eV brede bandkloof en symmetrisch ten opzichte van het Fermi-niveau. Verschillende elementen van dit model moeten evenwel in vraag worden gesteld. De activeringsenergie van de driftmobiliteit van zowel gaten als elektronen werd ten onrechte gebruikt als energieafstand van de ondiepe niveaus tot de bandkanten, en van de diepe toestanden werd verondersteld dat ze met thermische overgangen overeenkomen in het negatieve-U model hoewel dat model zelf hogere energieën veronderstelt. Een nieuwe, gedetailleerde studie van de a-Se toestandsdichtheid is bijgevolg aangewezen. Om die toestandsdichtheid van het a-Se te onderzoeken wordt in deze thesis vooral gebruik gemaakt van een aantal stationaire en transiënte fotogeleidingstechnieken. Er wordt aangetoond dat a-Se wel degelijk tot de groep van de negatieve-U materialen mag worden gerekend. Het energie-schema voor verschillende ofwel thermisch ofwel optisch geïnduceerde elektronische transities die gepaard gaan met het geheel van elektrisch geladen, negatieve-U defecten kon worden afgeleid. Voor de thermische overgangen naar het negatief geladen defect D- wordt op basis van post-transit analyse van de 'time-of-flight' (TOF) transïente fotostroom een niveau gelocaliseerd ~ 0.4 eV boven de valentieband, EV, terwijl de temperatuursafhankelijkheid van de stationaire fotostroom tot een waarde van ~ 0.36 eV boven EV leidt. Het verschil laat zich verklaren door een waargenomen sensitisatie van de stationaire fotostroom bij lage temperaturen. Voor de thermische overgangen naar het positief geladen D+ wordt anderzijds een niveau ~ 0.53 eV onder de conductiebandkant, EC, gevonden op basis van zowel de TOF post-transit analyse als van de stationaire fotostroommetingen. De optische absorptie door bemiddeling van de negatieve-U centra werd bestudeerd aan de hand van de constante-fotostroom-methode en van foto-thermische deflectiespectroscopie. Het aan D+ verbonden absorptieniveau ligt ~ 1.5 eV boven EV, en absorptie vanuit D- naar EC vraagt ~ 1.75 eV. Deze waarden plaatsen de optische transitieniveaus net voorbij de thermische niveaus naar de bandkanten toe, en suggereren dat het potentiaalprofiel van de D+ en D- defecten slechts een kleine kromming vertoont in configuratieruimte. Het geheel van de gevonden thermische en optische transitie-energieën sluit goed aan bij het algemeen concept van de negatieve-U defecten, maar is duidelijk in tegenspraak met het hoger geciteerde Abkowitz model. Naast de negatieve-U defecten bevat de a-Se toestandsdichtheid evenwel ook nog neutrale defecten dicht bij de bandkanten, en diepe defecten in de buurt van de het Fermi-niveau. Waar een knik in het pre-transit elektron TOF-signaal op de aanwezigheid wijst van een discreet defectniveau 0.3 eV beneden EC, duidt een analoge knik in de transiënte fotostroom gemeten in een co-planaire elektrodegeometrie, op een corresponderend niveau 0.2 eV boven EV. Dat beide ondiepe centra elektrisch neutraal zijn blijkt uit hun lage waarden voor de ontsnappingsfrequentie: eerder 1010 Hz dan de 1012 Hz van de geladen D+ en D- defecten. Een moleculaire configuratie waarbij de niet-bindende p-orbitalen van twee Se buren parallel met elkaar eerder dan loodrecht ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn kan als oorsprong van die defecten worden aangewezen. Voor de defecttoestanden diep in de bandkloof is het niet mogelijk hun positie precies te bepalen. Hun aanwezigheid, als zowel elektronen- als gatenvangstcentrum, wordt afgeleid uit het verlies van de signaalamplitude bij repetitieve TOF metingen omwille van recombinatie met lading in de diepe vangstcentra. Het diepe elektron-vangstcentrum leidt tevens tot sensitisatie van de stationaire fotostroom bij lage temperaturen. Tenslotte werd ook aandacht besteed aan de bandstaarten van het a-Se. Een analyse van de gatenmobiliteit in functie van temperatuur en aangelegd elektrisch veld laat toe een exponentiële toestandsverdeling met een karakteristieke energie van 25 meV voor te stellen als achtergrondsdichtheid aan de valentiebandkant van de bandkloof. Modelberekeningen voor de TOF stroomtransiënten ondersteunen die analyse. Omwille van de veldonafhankelijkheid van de elektronenmobiliteit zijn voor de conductiebandkant van de kloof enkel modelberekingen beschikbaar. Ze wijzen op een exponentiële verdeling met 20 meV als karakteristieke energie. Samenvattend mag worden gesteld dat deze thesis het heuristische Abkowitz model heeft kunnen vervangen door een omstandig gedocumenteerd model dat zowel de geladen coördinatiedefecten van het negatieve-U systeem omvat als ondiepe neutrale toestanden veroorzaakt door afwijkende orbitaaloriëntaties, en diepe vangstcentra van nog ongewisse oorsprong.status: publishe