J. Phys. France 44, 713-721 (1983)
DOI: 10.1051/jphys:01983004406071300

Electronic properties of hydrogenated amorphous silicon-germanium alloys

J. Bullot¹, M. Galin¹, M. Gauthier¹, B. Bourdon² et B. Bourdon

¹  Laboratoire des Matériaux Amorphes (LA 75), Université Paris-Sud, Bâtiment 490, 91405 Orsay, France
²  CIT-Alcatel Transmission, Laboratoire de Marcoussis, route de Nozay, 91460 Marcoussis, France

Abstract
The electronic properties of some binary hydrogenated amorphous silicon-germanium alloys a-SixGe1-x: H in the silicon rich region (x > 0.6) are investigated. Experimental evidence is presented of photo-induced effects similar to those described in a-Si:H (Staebler-Wronski effect). The electronic properties are then studied from the dual point of view of the germanium content dependence and of the photo and thermal histories of the films. The dark conductivity changes between the annealed state and the light-soaked state are interpreted in terms of the variation of the temperature coefficient of the Fermi level. The photoconductivity efficiency is shown to remain close to that of a-Si:H for 1 > x ≽ 0.9 and to strongly decrease when the germanium content is further increased : the photoresponse of the Si0.62Ge 0.38 alloy is 104 times smaller than that of a-Si:H. This deterioration of the photoconductive properties is explained in terms of the increase of the density of gap states following Ge substitution. This conclusion is based on the study of the width of the exponential absorption edge and on the results of photoconductivity time response studies. The latter data are interpreted by means of the model of Rose of trapping and recombination kinetics and it is found that for x ≈ 0.6 the density of states at 0.4-0.5 eV below the mobility edge is 7 x 10 17 eV-1 cm-3 as compared to 2.4 x 1016 eV-1 cm-3 for x = 0.97.

Résumé
On décrit les propriétés électroniques de quelques alliages amorphes de silicium et de germanium hydrogénés a-SixGe1-x: H riches en silicium (x > 0,6). Tout d'abord nous montrons que ces alliages subissent des effets photo-induits du type de ceux décrits par Staebler et Wronski pour a-Si:H. Les propriétés électroniques sont alors étudiées en fonction de la concentration en germanium et de l'histoire photothermique des films. Les changements observés de la conductivité entre l'état recuit et l'état irradié sont interprétés en fonction des variations du coefficient de température du niveau de Fermi. Nous montrons que le rendement de photoconduction reste proche de celui de a-Si:H pour 1 > x ≽ 0,9 puis décroît fortement quand la teneur en germanium devient plus élevée: il est environ 104 fois plus faible pour l'alliage Si0,62Ge0,38 que pour a-Si:H. Cette degradation des propriétés photoconductrices est interprétée par une augmentation de la densité d'états dans la bande interdite liée à l'incorporation de germanium. Cette conclusion repose sur l'étude de la région exponentielle du front d'absorption et sur les résultats obtenus lors de la mesure des temps de réponse de la photoconduction. Ces derniers sont interprétés dans le cadre du modèle de Rose sur la cinétique de piégeage et de recombinaison. On a trouvé que pour x ≈ 0,6 la densité d'états à ˜ 0,4-0,5 eV en dessous du seuil de mobilité est de 7 x 1017 eV-1 cm-3 alors qu'elle est seulement de 2,4 x 1016 eV-1 cm -3 pour x = 0,97.

PACS
7123C - Amorphous semiconductors, metallic glasses, glasses.

Key words
amorphous semiconductors -- electrical conductivity of amorphous semiconductors and insulators -- energy gap -- Fermi level -- Ge Si alloys -- hydrogen -- light absorption -- optical constants -- photoconductivity -- plasma deposited coatings -- reflectivity -- semiconductor thin films