Автореферат (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов), страница 2

Однако особенности переноса носителей заряда в анизотропном ПК не былиизучены. Также в литературе не обсуждались механизмы рекомбинации неравновесныхносителей заряда в таком материале. В то же время, изучение указанных вопросовявляетсяважнымдляпониманияфундаментальныхэлектрическихифотоэлектрических свойств в ансамблях связанных кремниевых нанокристаллов,обладающих анизотропией формы.6Механизм переноса электронов и дырок в ПК сильно зависит от поверхностногопокрытия нанокристаллов. Одним из способов изменения поверхностного покрытиянанокристаллов является адсорбция активных молекул. Отметим, что исследованиевлияния адсорбции активных молекул на проводимость ПК является актуальным всвязи с перспективами использования последнего в газовых сенсорах.

Большаяудельная поверхность ПК обуславливает его высокую адсорбционную активность,вследствие чего окружающая среда оказывает заметное влияние на его оптические иэлектрические свойства. К настоящему времени подробно изучено влияние адсорбцииразличных газов на спектры поглощения инфракрасного излучения (ИК-поглощения) иопределяемуюизнихисследованиямвлиянияконцентрациюадсорбциисвободныхактивныхносителеймолекулназаряда.Однакоэлектрическиеифотоэлектрические свойства ПК внимания практически не уделено.Таким образом, указанные выше системы, с точки зрения установленияфундаментальных особенностей электронных процессов в ансамблях кремниевыхнанокристаллов дают возможность исследовать оптические и электрические свойствакремниевых нанокристаллов в полупроводниковой и диэлектрической матрицах, атакже изучать влияние на эти свойства формы и поверхностного покрытиянанокристаллов.

С прикладной точки зрения данные системы перспективны дляиспользования в электронике, оптоэлектронике, солнечной энергетике и сенсорике. Всвязисэтим,исследованияструктурных,оптических,электрическихифотоэлектрических свойств указанных выше структур с одной стороны позволяютустановить особенности генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда вансамблях кремниевых нанокристаллов, а с другой стороны способствуют повышениюэффективности приборов, созданных на основе структур nc-Si/a-Si:H, nc-Si/SiO2 и ПК.Цель настоящей диссертационной работы – установление электронныхпроцессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойствасистем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов (как связанных, так иразделенных полупроводниковой или диэлектрической матрицой), и изучение влиянияна эти свойства структурных особенностей, таких как объемная доля нанокристаллов вматрице, поверхностное покрытие и анизотропия формы нанокристаллов.Научная новизнаВ результате проведенных в диссертационной работе исследований получен рядновыхданныхпоструктуре,оптическомупоглощению,проводимости,фотопроводимости и фотолюминесценции систем, содержащих ансамбли кремниевыхнанокристаллов:71.

Обнаружено изменение характера спектральной зависимости коэффициентапоглощения структур nc-Si/a-Si:H при увеличении объемной доли кристаллическойфазы. Показано, что при достижении доли кристаллической фазы ~50 % фотогенерацияносителей заряда происходит в основном в кремниевых нанокристаллах.2. Установлено, что проводимость структур nc-Si/a-Si:H увеличивается нанесколько порядков с ростом объемной доли кристаллической фазы, причем значениеобъемной доли кристаллической фазы в аморфной матрице, при которой начинаетсятакое увеличение, зависит от способа формирования кремниевых нанокристаллов.3.

Методом ЭПР спектроскопии в пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долейкристаллической фазы (примерно 10 %) обнаружен сигнал, приписываемыйэлектронам, захваченным в хвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальноеизменение спектров ЭПР при введении небольшой доли кремниевых нанокристаллов ваморфную матрицу, позволяет использовать ЭПР-спектроскопию для экспресс-анализаналичия нанокристаллов в наномодифицированных образцах аморфного кремния.4. Обнаружено увеличение проводимости и фотопроводимости структур nc-Si/aSi:H p-типа, содержащих большую объемную долю кристаллической фазы (более 80%), при их освещении в атмосфере сухого воздуха. Установлено, что уменьшениедавления остаточных газов в камере приводит к уменьшению наблюдаемых эффектов,и при освещении образцов в вакууме (Р=10-3 Па) указанные эффекты пропадают.5.

Установлено, что облучение структур nc-Si/a-Si:H с большой объемной долейкристаллической фазы (более 80 %) быстрыми электронами с энергией 40 кэВприводит к увеличению коэффициента поглощения в области h<1.2 эВ и уменьшениюфотопроводимости. Показано, что созданные под действием облучения дефекты,являются основными центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда.6. Предложена модель генерации, переноса и рекомбинации неравновесныхносителей заряда в двухфазных структурах nc-Si/a-Si:H.7.Предложенымеханизмыпереносаносителейзарядаприразличныхтемпературах в многослойных системах Au – nc-Si/SiO2 – c-Si с различным числомслоев nc-Si и SiO2.8. Обнаружена анизотропия проводимости и фотопроводимости в слоях ПК,обладающих латеральной анизотропией формы нанокристаллов.

Показано, чтоанизотропия проводимости и фотопроводимости уменьшается с увеличением частотыприложенного переменного электрического сигнала, однако, остаётся достаточнобольшой даже при частотах ~10 МГц. Предложена модель переноса и рекомбинацииносителей заряда в слоях ПК, обладающего латеральной анизотропией формынанокристаллов.89. Представлена новая информация о влиянии адсорбции активных молекул (йодаи аммиака) на концентрацию и подвижность свободных носителей заряда в ПК.Установлено, что с помощью адсорбции указанных выше молекул можно существенно,нанесколькопорядков,увеличитьпроводимостьсвязанныхкремниевыхнанокристаллов.

Предложена модель, объясняющая резкий рост проводимости ПК врезультате адсорбции активных молекул.Основные положения, выносимые на защитуВ рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты,выносимые на защиту:1. Спектр поглощения пленок nc-Si/a-Si:H зависит от содержащейся в нихобъемной доли кристаллической фазы. При объемной доле кристаллической фазыменее ~50 % процессы генерации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/aSi:H определяются главным образом аморфной матрицей. Увеличение объемной доликристаллической фазы в матрице a-Si:H до 50% приводит к возрастанию коэффициентапоглощения в области энергий кванта h<1.2 эВ, что может быть связано собразованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрываслабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки в результате изменения структурыматериала.

В пленках nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы(более 80 %) характер спектральной зависимости коэффициента поглощения близок каналогичной зависимости для c-Si и практически не зависит от уровня легирования.Оптическая ширина запрещенной зоны такой системы, полученная из анализаспектральной зависимости коэффициента поглощения в области h>1.2 эВ, равна 1.12эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны c-Si. Коэффициент поглощения вобласти h<1.2 эВ определяется состояниями дефектов, основная часть которыхнаходится на границах колонн нанокристаллов.2.

В пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долей кристаллической фазы(примерно 10 %) наблюдается сигнал ЭПР, приписываемый электронам, захваченным вхвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальное изменение спектров ЭПР привведении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфную матрицу,позволяетиспользоватьЭПР-спектроскопиюдлядетектированиямалойдолинанокристаллов в наномодифицированном аморфном кремнии.3.

В случае пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы(более 80 %) носители заряда движутся по делокализованным состояниям колонннанокристаллов, преодолевая потенциальные барьеры на границах колонн. Энергияактивации темновой проводимости пленок nc-Si/a-Si:H определяется положениемуровня Ферми и высотой потенциальных барьеров на границах колонн нанокристаллов.9С уменьшением объемной доли кристаллической фазы пропадает перколяционныйпуть из кремниевых нанокристаллов, и перенос носителей заряда происходит поаморфной фазе.

При этом наблюдается резкое уменьшение проводимости. Значениеобъемной доли кристаллической фазы в пленках nc-Si/a-Si:H, при которой возникаетперколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, сильно зависит от метода иусловий получения пленок.4. Процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/aSi:H сильно зависят от температуры и объемной доли кристаллической фазы.

В областинизких температур (T<210-230 К) для пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долейкристаллической фазы (более 80 %) имеет место туннельный механизм рекомбинациинеравновесных носителей заряда через состояния на границах нанокристаллов. Сувеличением температуры рекомбинация также происходит через состояния награницах колонн нанокристаллов, но при этом она не носит туннельного характера.Изменение фотопроводимости при варьировании доли кристаллической фазы вструктурах nc-Si/a-Si:H имеет немонотонный характер и определяется изменениемподвижности и времени жизни носителей заряда, однако при любой объемной долекристаллическойфазыосновнымирекомбинационнымицентрамивыступаютоборванные связи на границах нанокристаллов с аморфной фазой и порами.5.

Освещение слабо легированных пленок nc-Si/a-Si:H p-типа, обладающихбольшой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %), в атмосфере сухоговоздуха приводит к увеличению их проводимости и фотопроводимости, причемуменьшение давления остаточных газов в камере вызывает уменьшение наблюдаемыхэффектов, и при освещении пленки в вакууме P=10-3 Па указанные эффекты вообще ненаблюдаются. Влияние окружающей среды может быть связано с адсорбциейкислорода на границах нанокристаллов и внешней поверхности пленки nc-Si/a-Si:H.6. В области низких температур электронный транспорт в слоях nc-Si/SiO2осуществляетсяпутемпоследовательноготуннелированиямеждусоседнимикремниевыми нанокристаллами, а с повышением температуры начинает преобладатьперенос носителей заряда по локализованным состояниям в SiO2. При малом числеслоев nc-Si и SiO2 в структурах Au – nc-Si/SiO2 – c-Si на границе подложки с-Si соксидной матрицей существует потенциальный барьер для электронов, которыйопределяет проводимость всей структуры.7.

Анизотропия формы ансамблей кремниевых нанокристаллов в слояханизотропногопористогокремнияприводитканизотропиипроводимости.Проводимость слоев пористого кремния вдоль кристаллографического направления[ 1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чем вдоль10кристаллографическогонаправления[001].Энергияактивациитемпературнойзависимости проводимости для направления [ 1 1 0 ] меньше, чем для направления [001].Отношение значений проводимости вдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и[001] уменьшается с увеличением частоты приложенного переменного электрическогосигнала, однако, остаётся достаточно большим даже при частотах ~10 МГц.8.МеханизмрекомбинациинеравновесныхносителейзарядавПКснанокристаллами, обладающими анизотропией формы, носит туннельный характер(вплоть до комнатных температур), а основными рекомбинационными центрамиявляются состояния на границах нанокристаллов.