Отзыв оппонента Горбацевича (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов)

официального оппонента на диссертационную работу Форша Павла Анатольевича «Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов», представленную на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников. Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи современной физики и нанотехнологии наноструктурированных материалов - комплексному исследованию свойств систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов. В диссертации изучены оптические и электрические свойства следующих материалов: наномодифицированного аморфного кремния (пс-%/а-%;Н) - двухфазного материала, состоящего из матрицы аморфного гидрированного кремния (а-%:Н) с внедренными туда нанокристаллами кремния; слоев кремниевых нанокристаллов, внедренных в матрицу диоксида кремния (пс-%/%0з)1и пористого кремния (ПК). Рассмотренный в диссертации круг вопросов помимо общефизического интереса имеет также важное практическое значение в связи с поиском путей использования наноструктурированных материалов на основе кремния в фотоэлектронике и солнечной энергетике.

Диссертация представляет собой естественное развитие предшествовавших работ по нанокристаллическому и пористому кремнию, а также лазерному отжигу в направлении комплексного использования физических методов исследования свойств материалов. 1'абота состоит из введения, семи глав. заключения и списка литературы. В первой :.шве представлены сведения о методах получения и структурных параметрах исследованных в работе образцов пс-%/а-%:Н.

Следует отметить удачный выбор адекватного физического инструмента, в качестве которого автор использовал спектроскопию комбинационного рассеяния света. позволившую выполнить определение объемной доли кристаллической фазы и изучаемых пленках. Показано, что в исследованных пленках пс-%/а-%:Н, полученных методами плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси моносилана и водорода, объемная доля кристаллической фазы увеличивается до значений больших 80 ',4 при увеличении в процессе осаждения пленки содержания водорода в газовой смеси. При лом размер нанокристаллов существенно не изменяется и лежит в области 5-7 нм, В то же время в случае пленок пс-%/а-%:Н, полученных путем фемтосекундной лазерной кристаллиз;щии а-%:Н, долю кристаллической фазы можно увеличивать повышая плотность энергии в лазерных импульсах.

Однако, начиная со значений плотности энергии порядка 100 мДж/см наблюдается частичное отслаивание пленки. Поэтому в отличие от метода плазмохимического осаждения„фемтосекундная лазерная кристаллизация а-%:Н позволяет получать без частичного разрушения пленки значения объемной доли кристаллической фазы не более -30 ',4. Нанокристаллы в образцах полученных методом плазмохимического осаждения упорядочиваются в вертикально ориентированные колонны.

В случае лазерной кристаллизации нанокристаллы формируются в виде изолированных включений в аморфной матрице. Отдельное внимание в первой ~лаве уделено вопросу о парамагнитных состояниях в пленках пс-%!а-%:Н с малой объемной долей кристаллической фазы. Данный вопрос изучался с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Было обнаружено, что в пленках пс-%!а-%:Н с объемной долей кристаллической фазы порядка 10 ',4 наблюдаемый сигнал ЭПР существенно отличается от сигнала ЭПР для а-%:Н.

Во второй шве представлены результаты исследования спектральных зависимостей коэффициента поглощения и спектрах фотолк>минесценции пленок пс-%/а-%:Н. Именно эти результаты могут служить определяющими при оценке перспектив практического использования нанокристаллического кремния. Показано, что при объемной доле кристаллической фазы менее -50 'Ъ спектральные зависимости коэффициента поглощения пс-%/а-Я:Н имеют вид характерный для а-%Н Это указывает на то, что процессы генерации неравновесных носителей заряда в ~аких пленках определяются главным образом аморфной матрицей, Вместе с тем уже при сравнительно низкой доле нанокристаллической фазы, полученной фемтосекундным лазерным отжигом, наблюдается практически полное подавление эффекта Стеблера-Вронского, который относится к числу наиболее серьезных недостатков аморфного кремния как материала солнечной энергетики.

В пленках пс-%!а-%:Н с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 ",4) характер спектральной зависимости коэффициента поглощения близок к аналогичной зависимости для кристаллического кремния и практически не зависит от уровня легирования. Оптическая ширина запрещенной зоны такой системы, полученная из анализа спектральной зависимости коэффициента поглощения в области Ь»=1.2 эВ, равна 1.12 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны с-%. Сообщается о том, что коэффициент поглощения пс-%)а-%:Н в области Ь~ <1.2 эВ определяется состояниями дефектов, основная часть которых находится на границах нанокристаллов. Также во второй главе приводятся сведения об обнаружении видимой фотолюминесценции с максимумом вблизи б75 нм от пленок а-%:Н, облученных фемтосекундными лазерными импульсами с плотностью энергии большей 250 мДж/см на воздухе.

Интенсивность люминесценции возрастает с увеличением плотности энергии в лазерном импульсе. Автор делает обоснованное предположение, что обнаруженная фотолюминесценция объясняется рекомбинацией неравновесных носителей заряда через дефектные состояния. образующиеся на ~ранние раздела между созданными в результате лазерного облучения кремниевыми нанокрнсталлами и матрицей %0ъ Электрические и фотоэлектрические свойства пленок пс-Я/а-%:Н описаны в третьей лаве. Анализ температурных зависимостей проводимости пленок пс-%!а-%:Н с различной долей кристаллической фазы и различным уровнем легирования показал, что перенос носителей заряда в них в области температур Т=150-450 К происходит по делокализованным состояниям (зоне проводимости для пленок и-типа и валентной зоне для пленок р-типа). В области малых значений объемной доли кристаллической фазы носители заряда движутся по делокализованным состояниям а-%:Н.

При некотором значении объемной доли кристаллической фазы образуется перколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, и транспорт носителей заряда осушествляется по кремниевым нанокристаллам. Значение объемной доли кристаллической фазы в пленках пс-Я~а-Я:Н, при которой возникает перколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, сильно зависит от метода и условий получения пленок.

Исследования фотоэлектрических свойств пленок пс-Я/а-Я:Н с большой долей кристылической фазы показали. что рекомбинация неравновесных носителей возможна как внутри колонн нанокристаллов. так и на границах колонн с аморфной фазой или порами. В области низких температур рекомбинация неравновесных носителей заряда происходит на границах колони нанокристаллов и носит гуннельный характер. При повышении температуры начинает преобладать рекомбинация внутри колонн. При изменении объемной доли кристаллической фазы в пленках пс-%/а-%:11 наблюдается немонотонный характер изменения фотопроводимости.

который близок к зависимости подвижности носителей заряда в двухфазной структуре от обьемной доли фазы с большой проводимостью. Автору удалось свести воедино большой объем экспериментальных данных и сформулировать достаточно общую модель переноса и рекомбинации носителей заряда в пленках пс-%/а-%:Н с учетом их многофазной структуры. В четвертой лане представлены результаты исследования влияния высокотемпературного термического отжига, длительного освещения и облучения электронами на оптические и фотоэлектрические свойства пленок пс-Я/а-%:Н, которые позволили установить корреляцию между проводимостью, фотопроводимостью и оптическим поглогцением пс-Я/а-%:Н, Сделан вывод о том, что энергетические состояния на поверхности колонн нанокристаллов и состояния, определяемые границами нанокристаллов внутри колонн, в разной степени влияют на величину поглощения в области "хвоста" и величину фотопроводимости.

Обнаружено отсутствие корреляции между вызванными термическим отжигом изменениями фотопроводимости и концентрации дефектов, дающих вклад в 'хвост" поглощения пс-81!а-81:Н с большой долей кристаллической фазы. Показано, что проводимость и фотопроводимость структур пс-%!а-Я:Н р-типа„содержащих большую объемную долю кристаллической фазы (более 80 0), увеличиваются при их освещении в атмосфере сухого воздуха. В пятой живе на примере структур пс-%!%От рассмотрены особенности переноса носителей заряда в кремниевых нанокристаллах, внедренных в диэлектрическую матрицу.

Исследованные слои пс-Я!В!Оз представляли собой расположенные квазиупорядоченно нанокристаллы кремния, разделенные слоями %0ъ Исследования температурных зависимостей проводимости для структур Ап — пс-%7%От — с-% с различным числом слоев и размером нанокристаллов указывают на то. что при температурах Т<280 К электронный транспорт осуществляется путем прыжков (стимулированных фононами туннельных переходов) между соседними кремниевыми нанокристаллами. С повышением температуры начинает преобладать перенос носителей заряда по локализованным состояниям вблизи дна зоны проводимости %0 . В шестой' жавв исследованы электрофизические свойства пористого кремния р-типа, обладающего латеральной анизотропией формы нанокристаллов. Размер нанокристаллов составлял 10-30 нм, Пористость образцов определялась гравиметрическим способом и была равна 70 ',4, В исследованных образцах нанокристаллы кремния были вытянуты вдоль кристаллографической осн 1110 ~.