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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиФорш Павел АнатольевичОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ,СОДЕРЖАЩИХ АНСАМБЛИ КРЕМНИЕВЫХНАНОКРИСТАЛЛОВ01.04.10 – Физика полупроводниковДиссертация на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукНаучный консультант:доктор физико-математических наук,профессор П.К.

КашкаровМосква – 20142ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................ 4ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ И СТРУКТУРА ПЛЕНОК nc-Si/a-Si:H ...................................... 171.1. Методы формирования и механизмы кристаллизации пленок nc-Si/a-Si:H ......... 171.2.

Cтруктура пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методомплазмохимического осаждения из газовой фазы ............................................................. 211.3. Cтруктура пленок nc-Si/a-Si:H, полученных путем лазернойкристаллизации a-Si:H ........................................................................................................ 311.4. Дефекты в пленках nc-Si/a-Si:H ................................................................................ 511.5. Выводы по главе 1 ......................................................................................................

57ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК nc-Si/a-Si:H ......................................... 592.1. Основные литературные данные по оптическим свойствампленок nc-Si/a-Si:H .............................................................................................................. 592.2. Измерение спектральной зависимости коэффициента поглощенияметодом постоянного фототока ......................................................................................... 652.3. Спектральные зависимости коэффициента поглощения nc-Si:H .......................... 692.4.

Зависимость коэффициента поглощения наномодифицированногоаморфного кремния от доли кристаллической фазы ....................................................... 742.5. Методика измерений фотолюминесцентных свойств пленок nc-Si/a-Si:H .......... 802.6. Фотолюминесценция пленок nc-Si/a-Si:H, полученныхфемтосекундной лазерной кристаллизацией аморфного кремния ................................. 812.7. Фотолюминесценция пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методом PECVD ........... 852.8. Выводы по главе 2 ......................................................................................................

89ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАПЛЕНОК nc-Si/a-Si:H .............................................................................................................. 913.1. Перенос носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:H ................................................... 913.2.

Проводимость пленок a-Si:H, подвергнутых лазерной кристаллизации ............ 1083.3. Методика измерений фотоэлектрических свойств пленок nc-Si/a-Si:H ............. 1203.4. Зависимость фотоэлектрических свойств пленок nc-Si/a-Si:H от доликристаллической фазы ...................................................................................................... 1243.5. Фотоэлектрические свойства пленок nc-Si:H ........................................................ 1323.6. Модель переноса и рекомбинации неравновесных носителейзаряда в пленках nc-Si/a-Si:H ...........................................................................................

1483.7. Выводы по главе 3 .................................................................................................... 154ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ ИФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК nc-Si:H .............................................. 1564.1. Влияние термического отжига на оптические и фотоэлектрическиесвойства пленок nc-Si:H .................................................................................................... 15734.2.

Влияние длительного освещения на оптические и фотоэлектрическиесвойства пленок nc-Si:H .................................................................................................... 1674.3. Влияние облучения электронами на оптические и фотоэлектрическиесвойства nc-Si:H ................................................................................................................. 1794.4. Выводы по главе 4 ....................................................................................................

186ГЛАВА 5. ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛОЯХ nc-Si/SiO2 .............................. 1875.1. Основные литературные данные по механизмам переноса в системах скремниевыми нанокристаллами в диэлектрической матрице ...................................... 1875.2. Получение и структура слоев nc-Si/SiO2 ................................................................ 1905.3. Проводимость слоев nc-Si/SiO2 ............................................................................... 1935.4. Выводы по главе 5 .................................................................................................... 201ГЛАВА 6.

ПРОВОДИМОСТЬ И ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОРИСТОГОКРЕМНИЯ С ЛАТЕРАЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ ФОРМЫ НАНОКРИСТАЛЛОВ ... 2036.1. Основные литературные данные по проводимости пористого кремния ............ 2036.2. Методы формирования и структура пористого кремния ..................................... 2136.3. Методика измерений электрических и фотоэлектрических свойстванизотропного пористого кремния .................................................................................. 2216.4. Проводимость анизотропного мезопористого кремния на постоянном токе..... 2236.5.

Электропроводность и емкость анизотропного мезопористого кремния напеременном токе ................................................................................................................ 2316.6. Фотопроводимость анизотропного мезопористого кремния ...............................

2386.7. Выводы по главе 6. ................................................................................................... 241ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ АДСОРБЦИИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ ИТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ АНСАМБЛЕЙСВЯЗАННЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ ................................................................................. 2437.1.

Инфракрасная спектроскопия пористого кремния................................................ 2437.2. Определение концентрации свободных носителей заряда спомощью ИК-спектроскопии ........................................................................................... 2467.3. Проводимость мезопористого кремния n- и p-типа при адсорбцииактивных молекул.............................................................................................................. 2537.4.

Подвижность свободных носителей заряда в мезопористомкремнии n- и p-типа ........................................................................................................... 2557.5. Модификация электрофизических свойств изотропного ПКпри термическом окислении............................................................................................. 2587.6. Выводы по главе 7 .................................................................................................... 264ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................

266СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ......................................... 270СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................................... 2744ВВЕДЕНИЕВ диссертационной работе изучаются оптические и электрические свойства систем,содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов, на примере следующих материалов:наномодифицированного аморфного кремния (nc-Si/a-Si:H) - двухфазного материала,состоящего из матрицы аморфного гидрированного кремния (a-Si:H) с внедреннымитуда и хаотично расположенными кристаллами кремния нанометрового размера; слоевкремниевых нанокристаллов, внедренных в матрицу диоксида кремния (nc-Si/SiO2); ипористого кремния (ПК). На основе анализа оптических и электрических свойств такихсистем в работе устанавливаются общие закономерности по влиянию объемной долинанокристаллов, их размера, формы и поверхностного покрытия на процессы генерации,переноса и рекомбинации носителей заряда в системах, содержащих ансамбликремниевых 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 и5электронных свойств. Исследования оптических и электрических свойств указанныхвыше систем являются взаимодополняющими, и позволяют выявить основныезакономерности 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.