Отзыв ведущей организации (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов)

УТВЕРЖДА1О Дирсктор Федерального государственного чреждения науки общей физики Прохорова РАН мик 1!ЛН ,г' И.А. 1Цербаков «,1 '» '~а,~ 2014 г. ОТЗЫВ ведущей организации -- Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук на диссертационную работу Павла Анатольевича Форша '"Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов", представленную на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 — «Физика полупроводников», В настоящее время кремниевые нанокристаллы, находягциеся в полупроводниковых и диэлектрических матрицах, привлекают к себе повышенное внимание, в связи с перспективами их использования в различных электроншях и оптоэлектронных приборах и устройствах.

Определение процессов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в таких системах, а также корреляция данных процессов со структурными свойствами самих кремниевых нанокристаллов (размером„ формой) и особенностями их локального окружения необходимы для эффективного использования кремниевых нанокристаллов при создании на их основе свстоизлучающих устройств, фотопреобразователей, газовых сенсоров и многого другого, С точки зрения фундаментальной науки исследование оптических н электрических свойств систем, содержащих кремниевые нанокристаллы, позволяет выявить особенности электронных процессов, имеющих место в многофазных низкоразмерных структурах.

Поэтому диссертационная работа П.А. Форша. посвященная установлению общих закономерностей по влиянию объемной доли нанокристаллов, их размера, формы и поверхностного покрытия на процессы генерации„ псрсноса и рскомоинации носитслсй заряда В систсмах, содсржащих ансамбли кремниевых нанокристаллов, является важной и актуальной.

В диссертационной работе изучаются оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов„на примере следукпцих материалов: нанокристаллов кремния в матрице аморфного гидрогенизированного кремния (пс-%~а-Я:Н); слоев кремниевых нанокристаллов, внедренных в матрицу диоксида кремния пс-Бь'ЯО~, и пористого кремния 111К). Диссертационная работа 11.Л. Форша состоит из введения, семи глав, заключения, и списка цитированной литературы. Во введении обоснована актуальность темы, приведена цель диссертационной работы. охарактеризована научная новизна и практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приводятся сведения по изучению структурных параметров пленок с нанокристал лами кремния в матрице аморфного гидрогенизированного кремния (а-Я:Н). Обсуждаются вопросы о структуре получаемых нанокристаллических кремниевых ансамблей в аморфной матрице и корреляции их структурных свойств с технологическими параметрами и условиями осаждения. Большое внимание уделено использованию спектроскопии рамановского рассеяния для определения объемной доли кристаллической фазы и размера нанокристаллов в полученных в работе пленках пс-Я!а-Я:Н. 'Гакже обсуждается способ модификации структуры а-Я:Н посредством фемтосекундного лазерного воздействия, Приводятся Оригинальныс данныс 0 влияиии интенсивности фсмтосскундного лазсрного воздействия на получаемую в результате облучения структуру пленок а-Я:Н.

В конце первой главы рассматривается возможность использования метода "..)ПР для диагностики наличия малой доли кремниевых нанокристаллов в матрице а-Я:Н. Во второй главе представлены сведения по оптическим свойствам пленок пс-Я~аЯ:Н. Приведены экспериментальные данные по влиянию объемной доли нанокристаллов на оптическое поглощение и фотолюминесценцию пленок пс-%~а-Я:11 и разработаны модели, определяющие процессы оптической генерации и излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда в исследованных образцах, Также подробно изучен вопрос о влиянии положения уровня Ферми в пс-Я/а-Я:Н на спектральные зависимости их коэффициента поглощения. Механизмы переноса и рекомбинации носителей заряда в пленках пс-Я/а-Я:Н изучаются в третьей главе.

Вначале главы приводятся данные по влиянию объемной доли нанокристаллов на проводимость пленок пс-Я/а-Я:Н. Анализируются возможные процессы переноса носителей заряда в пс-Я/а-Я:Н, обсуждаются зависимости положения уровня Ферми от температуры. Далее излагаются сведения по изучению фотоэлектрических свойств пленок пс-Я/а-Я:Н. Описываются использованные методики измерения стационарной фотопроводимости и релаксации фотопроводимости в структурах пс-Я/а-Я:Н. Исследуется влияние объемной доли кристаллической фазы на температурные зависимости стационарной фотопроводимости и кинетики се спада в изучаемых пленках.

Рассматриваются также температурные зависимости дрейфовой подвижности и времени фотоответа в пс-Я/а-Я:Н. В конце главы предлагается модель переноса и рекомбинации носителей заряда в аморфном кремнии, содержащем кремниевые нанокристаллы. В четвертой главе проведены исследования влияния высокотемпературного термического отжига, длительного освещения и облучения электронами на оптические и фотоэлектрические свойства пленок пс-Я/а-Я:Н как р-, гак и и-типа.

Здесь анализируются природа„местоположение и возможныс механизмы образования дефектов в пс-Я/а-Я:П, созданных в результате внешних воздействий. Подробно рассматриваются вопросы о влиянии созданных дефектов на механизмы переноса и рекомбинации носителей заряда. Особенности переноса носителей заряда в кремниевых нанокристаллах, внедренных в диэлектрическую матрицу, на примере слоев пс-Я/ЯО, обсуждаются в пятой главе. Описывается способ получения и структура изучаемых слоев пс-Я/Я02. Приводятся исследования воль гамперных характеристик и температурных зависимостей проводимости структур пс-Я/Я02 с различным числом пар слоев пс-Я/ЯО и различным размером нанокристаллов.

На основе анализа экспериментальных данных предлагается модель переноса носителей заряда в слоях пс-Я/Я02. В:ппшие формы напокристаллов на их элсктрофизические и фотоэлектрические свойства рассматривается в шестой главе. Для этого в качестве объекта исследований бьп выбран мезопористый кремний (с характерным размером нанокристаллов порядка нескольких десятков нанометров). Обладающий латеральной анизотропией формы нанокристаллов." ианокристаллы Вытянуты ВдОль кристтплографического нап1тавления 1110~. Приводятся полученные экспериментальные данные по проводимости пористого кремния с анизотропией формы нанокристаллов на постоянном и переменном сигналах.

Рассматривается влияние формы нанокристтшлов на фотопроводимость, анализиру~отся люкс-амперные характеристики и предлагается модель рекомбинации неравновесных носителей заряда в анизотропном ПК. В седьмой главе изучается вопрос о влиянии поверхностного покрытия нанокристаллов на электрические свойства пористого кремния. Приводятся данные по исследованию влияния адсорбции активных молекул (йода и аммиака) и термического окисления на электрофизические свойства 11К. Описывается метод определения концентрации носителей заряда в ПК из спектров ИК-поглощения, Излагаются результаты по определению подвижности носителей заряда в ПК из совместного измерение проводимости и концентрации свободных носителей заряда из спектров ИК- поглощения, а также анализируется влияние на полученные значения подвижности носителей заряда адсорбции активных молекул, Научная новизна работы состоит в использовании комплексного подхода в изучении огггических и электрических свойств систем с кремниевыми нанокристаллами, включакэщего проведение экспериментов на образцах с разной объемной долей, формой, размером кремниевых нанокристаллов и их окружением, а также использование различных взаимодополняющих методов исследований.

Это позволило автору обнаружить ряд новых эффектов. среди которых можно отметить следующие: !. Обнаружено увеличение проводимости и фотопроводимости структур пс-Я!а-%:1-1 ртипа, содержащих большую объемную долю кристаллической фазы (более 80;4), при их предварительном освещении в атмосфере сухого воздуха. Установлено, что уменьшение давления остаточных газов в камере приводит к уменьшеник1 наблюдаемых эффектов, и при освещении образцов в вакууме -10 Па указанные эффекты пропадают. -з 2, Установлено, что облучение структур пс-%~а-Я:И с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 'lо) быстрыми электронами с энергией 40 кэВ приводит к увеличению коэффициента поглощения в области Ь~<1.2 эВ и уменьшению фотопроводим ости.

Показано, что создан ныс под действием облучения дефекты, являются основными центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда. 3, Показано. что в области низких температур. меныпих 200 К, для пленок пс-Я!а-Я:Н с большой объемной долей кристаллической фазы 1'более 80 '.4) имеет место туннельный механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния на границах колонн нанокристаллов. 4. Обнаружена анизотропия проводимости и фотопроводимости в слоях ПК,.