Влияние изовалентных примесей на структуру и свойства аморфного кремния

Исследовано влияние изовалентных примесей (ИБП) (углерода, олова, германия) на структуру ближнего порядка и электрофизические свойства $a$-Si. Концентрация ИБП в $a$-Si изменилась от 0 до 20 ат%. Легирование $a$-Si изовалентными примесями осуществлялось путем магнетронного распыления составных мишеней кремний–графит, кремний–германий, кремний–олово.
Введение атомов Ge слабо влияет на структуру ближнего порядка. В то же время легирование оловом приводит к увеличению координационных радиусов, а легирование углеродом — к их уменьшению. При концентрации углерода ${\sim20}$ ат% полностью исчезает III пик радиальной функции распределения электронной плотности. Отмечается также существенное возрастание концентрации оборванных связей $N_{S}$. В нелегированном $a$-Si ${N_{S}=1.6\cdot10^{19}\,\text{см}^{-3}}$ а в $a$-Si, содержащем 20 ат% углерода, ${N_{S}=1.3\cdot10^{20}\,\text{см}^{-3}}$. Наблюдаемые изменения радиусов координационных сфер обусловлены различием ковалентных радиусов атомов ИВП и кремния. Это различие в ковалентных радиусах, кроме деформации связей, приводит также к искажению углов между связями и обрыву последних.
Структурные изменения приводят к изменению свойств этого полупроводника. Проводимость нелегированного $a$-Si составляла ${\sigma=1\cdot10^{-7}\,\text{Ом}^{-1}\cdot\text{см}^{-1}}$. При введении ${\sim20}$ ат% углерода в $a$-Si $\sigma$ повышается на 5 порядков величины. В случае легирования оловом и германием $\sigma$ растет соответственно на 4 и 2$-$3 порядка. Анализ температурных зависимостей $\sigma(T)$ позволяет сделать вывод о том, что рост проводимости происходит за счет прыжковой компоненты и связан с увеличением плотности состояний вблизи уровня Ферми.