Автореферат (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиФорш Павел АнатольевичОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАСИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ АНСАМБЛИ КРЕМНИЕВЫХНАНОКРИСТАЛЛОВ01.04.10 – Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный консультант:Павел Константинович Кашкаров,доктор физико-математических наук, профессор. Физический факультет Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова; заведующий кафедрой общей физикии молекулярной электроникиОфициальные оппоненты:Горбацевич Александр Алексеевич,доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН.

Федеральное государственноебюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академиинаук; главный научный сотрудник.Каневский Владимир Михайлович,доктор физико-математических наук. Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук; и.о.директора института.Пархоменко Юрий Николаевич,докторфизико-математическихнаук,профессор.ОАО«Государственныйнаучно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»;научный руководитель.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им.А.М.

Прохорова Российской академии наук.Защита состоится « 19 » июня 2014 года в _____ часов на заседании Диссертационного советаД 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центраколлективного пользования физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имениМ.В.Ломоносова(Ломоносовскийпр.,д.27)ивсетиInternetпоадресуhttp://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/ .Автореферат разослан «___» __________ 2014 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С.

Плотников3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВ диссертационной работе изучаются оптические и электрические свойствасистем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов, на примере следующихматериалов: наномодифицированного аморфного кремния (nc-Si/a-Si:H) - двухфазногоматериала, состоящего из матрицы аморфного гидрированного кремния (a-Si:H) свнедренными туда и хаотично расположенными кристаллами кремния нанометровогоразмера; слоев кремниевых нанокристаллов, внедренных в матрицу диоксида кремния(nc-Si/SiO2); и пористого кремния (ПК). На основе анализа оптических и электрическихсвойств таких систем в работе устанавливаются общие закономерности по влияниюобъемной доли нанокристаллов, их размера, формы и поверхностного покрытия напроцессы генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в системах,содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов.Актуальность темы диссертации.

В настоящее время базовым материаломэлектроникиявляетсякремний.Широкиеперспективыдляминиатюризацииэлектронных приборов на основе кремния, а также для создания новых принциповфункционирования таких приборов, открываются при использовании низкоразмерныхкремниевых структур, в частности кремниевых нанокристаллов (nc-Si). Кремниевыенанокристаллы представляют значительный интерес в случае их использования длясоздания светоизлучающих устройств, фотопреобразователей, газовых сенсоров,биомедицинских препаратов и многого другого.

Однако фундаментальные процессыгенерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в таких системах, а такжекорреляция данных процессов со структурными свойствами самих кремниевыхнанокристаллов (размером, формой) и особенностями их локального окружения кмоменту постановки настоящей работы практически не были исследованы.На данный момент к числу перспективных материалов, содержащих nc-Si, с точкизрения технических приложений можно отнести пленки nc-Si/a-Si:H; слои nc-Si/SiO2 иПК. Конечно, перечисленные структуры не исчерпывают всего многообразия систем,содержащих nc-Si, но, безусловно, являются достаточно «популярными» средиисследователей не только в связи с их очевидными практическими применениями, нотакже и вследствие возможности изменять в широких пределах их структурныесвойства (размер, форму и поверхностное окружение нанокристаллов; а также ихобъемную долю в случае нахождения нанокристаллов в аморфной или оксиднойкремниевых матрицах) и тем самым устанавливать корреляцию структурных иэлектронных свойств.

Исследования оптических и электрических свойств указанныхвыше систем являются взаимодополняющими, и позволяют выявить основные4закономерности электронных процессов в системах, содержащих ансамбли кремниевыхнанокристаллов. Во многом это связано с тем, что перечисленные выше системыпозволяют моделировать практически любую ситуацию по расположению, связям,окружению и форме nc-Si. Рассмотрим подробнее каждую из систем и выделим тоткруг научных проблем, которые необходимо решить для получения целостной картинымеханизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в системах,содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов.На примере структур nc-Si/a-Si:H можно изучить систему, в которой электронныепроцессы определяются какаморфной, так и кристаллической составляющимиматериала.

В этом случае важное значение имеет соотношение между объемнымидолями кристаллической и аморфной фаз. Однако детальных исследований по влияниюдоли кристаллической фазы на оптические и фотоэлектрические свойства структур ncSi/a-Si:H к моменту постановки настоящего исследования проведено не было. Крометого, в последнее время появились работы, в которых пленки nc-Si/a-Si:H получаютсяне «традиционным» методом плазмохимического осаждения из газовой фазы смесимоносилана и водорода, а путем лазерной кристаллизации a-Si:H. Как отмечается влитературе данный способ формирования удобен с точки зрения оптимизации процессасозданиятандемныхсолнечныхэлементовнаосновеаморфногоинаномодифицированного кремния.

В работах, опубликованных в последние годы ипосвященных влиянию фемтосекундного лазерного облучения a-Si:H на его свойства,исследовалось изменение структуры пленок при данном воздействии. Однако влитературе отсутствовали данные об изменении электрических, фотоэлектрических иоптических свойств пленок a-Si:H при изменении структуры пленок в результатевоздействия на них фемтосекундных лазерных импульсов. В то же время подобныеисследованияпредставляютинтерес,посколькууказаннымспособомможноформировать частично упорядоченные массивы кремниевых нанокристаллов в матрицеa-Si:H.Необходимо отметить, что структуры nc-Si/a-Si:H представляют значительныйинтерес и с прикладной точки зрения.

В последнее время ведутся интенсивные работыпо разработке и созданию тонкопленочных электронных приборов, таких как полевыетранзисторы, солнечные элементы, фотоприемники и др. При этом, в качествематериала перспективного с точки зрения использования в тонкопленочных приборах,повышенное внимание исследователей вызывает именно nc-Si/a-Si:H.

Интерес к этомуматериалу во многом продиктован тем, что в отличие от a-Si:H, получившего широкоераспространение в тонкопленочной оптоэлектронике, он менее подвержен изменению5своих свойств при освещении и обладает большей (по сравнению с a-Si:H)подвижностью носителей заряда. В связи с этим, использование структуры nc-Si/a-Si:Hвместо a-Si:H в тонкопленочных приборах может значительно улучшить иххарактеристики, в частности увеличить КПД солнечных батарей.Примеромансамблейизолированныхкремниевыхнанокристалловвнепроводящей матрице могут служить системы из кремниевых нанокристаллов,внедренных в матрицу диоксида кремния.

Интерес к таким системам связан собнаруженной сравнительно недавно их эффективной фотолюминесценцией, чтооткрывает широкие перспективы для создания на их основе светоизлучающих диодов илазеров. В связи с этим большинство имеющихся на данный момент работ посвященоисследованию фотолюминесцентных свойств систем nc-Si/SiO2. В то же время длясоздания светодиодов на основе таких структурнеобходимо детально изучитьмеханизмы переноса носителей заряда в них. Существующие на данный моментвремени методики получения структур nc-Si/SiO2 позволяют варьировать в широкихпределах размер кремниевых нанокристаллов и расстояние между ними в матрице SiO2.Это дает возможность исследовать проводимость таких структур и изучить влияниеструктурных особенностей на процессы электронного транспорта в них.На протяжении уже нескольких десятков лет внимание исследователейпривлекает пористый кремний, что связано с перспективами его использования воптоэлектронике, сенсорике и медицине.

Кроме того ПК может рассматриваться какудобный модельный объект для изучения оптических и фотоэлектрических свойствсистем, содержащих ансамбли связанных кремниевых нанокристаллов, поскольку ондовольно прост в получении и его структура легко варьируются в процессе роста.Недавно было обнаружено, что ПК, содержащий нанокристаллы с анизотропией формы(размерынанокристалловнаправлениям),такотличаютсяназываемыйпоразличныманизотропныйПК,кристаллографическимобладаетзаметнымдвулучепреломлением. Большинство работ, имеющих отношение к данному материалу,посвящено исследованию линейных и нелинейных оптических свойств анизотропногоПК.