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

отзыв официального оппонента на диссертационнукэ работу П.А. 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».

Интерес к нанокристаллам кремния в настоящее время продолжает неуклонно расти. Это связано с большим количеством, как уже имеющихся, так и открывающихся направлений использования систем с кремниевыми нанокристаллами в различных областях, таких как электроника, оптоэлектроника, фотовольтаика, медицина и пр. Для эффективного создания приборов и устройств на основе систем с кремниевыми нанокристаллами необходимо детально исследовать их свойства. В частности, одним из ключевых вопросов является установление электронных процессов, определяющих оптические и электрические свойства систем с кремниевыми нанокристаллами„ а также выяснение влияния на них концентрации. размеров, формы и локального окружения нанокристаллов.

В диссертационной работе П.Л. Форша «Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов» проведены систематические исследования оптических. электрических и фотоэлектрических свойств ансамблей кремниевых нанокристаллов на примере следующих систем: кремниевых нанокристаллов в аморфной матрице (пс-%~а-%:11): кремниевых нанокристаллов в диэлектрической мат13ице (пс Я1!а К102) и кремниевых пан окристаллов. полученных в результате электрохимичес кого травления монокристаллического кремния (ПК вЂ” пористый кремний).

Исследование такого набора материалов позволило автору диссертации выявить зависимость„ происходяших в системах с кремниевыми нанокристаллами электронных процессов от структурных характеристик: концентрации нанокристаллов в аморфной и диэлектрической матрицах, размера нанокристаллов, их форм и влияние поверхностного покрытия. Диссертационная работа является актуальной, а полученные результаты представляют интерес как с фундаментальной точки зрения (изучение структуры и электронных свойств композитных наноразмерных структур), гак и с прикладной (изучаемые материалы имен>т широкие перспективы использования в солнечной энергетике, оптоэлектронике, сенсорике и пр.). Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы.

В каждой главе содержится подробный обзор литературы по изучаемому вопросу„ на основании которого определяются задачи исследований. а в конце главы приводятся основные полученные результаты и выводы по главе. Первые четыре главы диссертации посвящены изучению тонких пленок пс- Я/а-%:Н с различным содержанием нанокристаллон в аморфной матрице, Подробно исследована структура таких пленок и ее зависимость от метода и технологических параметров осаждения. Установлено, что объемная доля нанокристаллов в аморфной матрице может изменяться в широких пределах в зависимости от технологических параметров метода получения.

Интерес представляют проведенные исследования парамагнитных центров. Показано, что в случае небольшой обьемпой доли нанокристаллов в аморфной матрице (порядка 10 ',4) сигнал парамагнитного электронного резонанса от оборванных связей кремния становится довольно слабым и существенно уступает по величине сигналу от электронов. захваченных на состояния в хвосте зоны проводимости системы нанокристаллов кремния. Большое внимание уделено изучению оптических свойств пленок пс-Я/а-ЯН Здесь следует отметить проведенные исследования спектральных зависимостей коэффициента поглощения пленок пс-Я~а-Я:Н с большой объемной долей нанокристаллов. Бьио обнаружено, что при энергии квантов М>1.2 эВ полученная зависимость коэффициента поглощения таких пленок хорошо описывается квадратичной зависимостью, характерной для непрямых оптических переходов с участием фононов в с-Я.

С помощью экстраполяции графика до оси абсцисс получено значение энергии 1.12 эВ, что близко к ширине запрещенной зоны в кристаллическом кремнии. В области М<1.2 эВ наблюдался "хвост" поглощения, который связывался с генерацией носителей с состояний дефектов типа оборванных связей. При этом коэффициент поглощения в области Мс1.2 эВ практически не зависел от положения уровня Ферми. Заслуживают внимания результаты исследований фотоэлектрических свойств пленок пс-Я'а-Я:Н, приведенные в диссертации: обнаружено, что в области температур Т<210-230 К фотопроводимость возрастает с температурой по закону, близкому к экспоненциальному, а при Т~210-230 К рост фотопроводимости ослабляется, и она начинает уменьшаться с ростом температуры. Анализ температурной зависимости показателя степени люкс-амперной характеристики показал.

что указа~~ая за~исимос~ь практически не зависит от положения уровня Ферми в материале и способа получения пленок, а в области Т<210-230 К показатель степени люкс-амперной характеристики принимает малые значения (менее 0.5). Это объясняется тем, что при Т<210-230 К в пс-Я!а-%:Н имеет место зуннельный механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда. Совместные исследования оптических, электрических и фотоэлектрических свойств пс-%!а-Я:Н и изучение влияния на эти свойства высокотемпературного термического отжига, предварительного освещения и облучения электронами позволило разработать модель переноса и рекомбинации носителей заряда в пс- %,'а-Я:Н. Таким образом, в первых четырех главах диссертации изучены оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллов кремния в проводящей матрице (матрице аморфного кремния) и определена зависимость этих свойств от объемной доли нанокрисгаллов и положения уровня Ферми.

Изучению электрических свойств нанокристаллов кремния в диэлектрической матрице посвящена пятая глава диссертации. В данной главе исследованы вольтамперные характеристики и темперагурные зависимости проводимости слоев пс-%!%0~. Автором показано, что увеличение числа пар слоев пс-Я/%0~ приводит к изменению характера вольтамперных характеристик 1они становятся линейными) и температурных зависимостей проводимости. В работе показано, что в области низких температур перенос носителей заряда в слоях пс-%~%ОЙ осуществляется путем последовательного туннелирования между соседними кремниевыми нанокристаллами, а с повышением .гемпературы начинает преобладать перенос носителей заряда по локализованным состояниям вблизи дна зоны проводимости %0~. Исследования электрических и фотоэлектрических свойств ПК описаны в шестой и седьмой главах диссертации, В шестой главе изучены свойства ПК, обладающего анизотропией формы нанокристаллов. Седьмая глава посвящена влиянию адсорбции активных молекул и термического окисления на свойства ПК.

Проведенные в этих главах исследования позволили автору диссертационной работы определить влияние анизотропии формы нанокристаллов и их поверхностного покрытия на перенос и рекомбинацию носителей заряда в системах с кремниевыми нанокристаллами. Автором было обнаружено, что проводимость ПК с анизотропией формы нанокристаллов вдоль кристаллографического направления [1101 значительно выше проводимости вдоль направления [0011. Анизотропия проводимости (отношение проводимости, измеренной вдоль направления [110~, к проводимости, измеренной вдоль направления [ООЦ) растет с увеличением приложенного напряжения. Данная анизотропия объясняется с учетом эффектов Пула-Френкеля и Шоггки.

Также в работе обнаружена анизотропия фотопроводимости ПК: фотопроводимость ПК с анизотропией формы нанокристаллов вдоль кристаллографического направления [1101 выше фотопроводимости вдоль направления [00 Ц. Оригинальный способ использован автором для вычисления подвижности носителей заряда в ПК. Из анализа спектров ИК поглощения автор определяет концентрацикз свободных носителей заряда. Далее из полученных значений концентрации свободных носителей заряда и измеренных значений проводимости определяются значения подвижности.

В работе показано, что в результате адсорбции активных молекул заряда на поверхность кремниевых нанокристаллов изменяются как значения концентрации свободных носителей заряда. так и их подвижности. Более того, к изменению концентрации и подвижности свободных носителей заряда приводит термическое окисление ПК. В заключении диссертации перечислены основные выводы работы.

Следует отметить, что в работе используется большое число экспериментальных методик, а измерения выполнены на нескольких сериях образцов. Полученные результаты достаточно подробно описаны и проанализированы. Результаты диссертационной работы П.А. Форша имеют большое практическое значение и могут быть использованы на предприятиях, выпускающих оптоэлектронные приборы, сенсоры и тонкопленочные фотопреобразователи и фотодетекторы на основе кремния. Работа не свободна и от недостатков.

По диссертационной работе можно сделать следующие замечания: 1. В случае анализа спектральных зависимостей коэффициента поглощения пленок, содержащих кремниевые нанокристаллы в аморфной матрице, представляется разумным записать их коэффициент поглошения в виде суммы коэффициентов поглощения кристаллического кремния и аморфного кремния. умноженных на значения объемной доли соответствующих фаз (доли кристаллической и аморфной фазы в диссертации определены из спектров комбинационного рассеяния света). Однако в работе этого не делается, все рассуждения проводятся на качественном уровне. 2, При исследовании температурных зависимостей проводимости как пленок аморфного кремния с нанокристаллами, так и пористого кремния, важным является вопрос о наличии переноса носителей заряда за счет прыжков по локализованным состояниям, который может проявляться при низких температурах.

Однако диапазон используемых температур в работе ограничивается снизу азотными температурами. 3. Для описания проводимости пористого кремния„обладавшего латеральной анизотропией формы нанокристаллов. нанокристаллы рассматриваются как эллипсоиды вращения. Не совсем ясна обоснованность такого представления. 4. При изучении вопроса о влиянии адсорбции активных молекул на подвижность носителей заряда в пористом кремнии некоторые зависимости строятся всего по трем-четырем экспериментальным точкам, Отмеченные недостатки не снижают общей положительной оценки диссертационной работы П.А. Форша. Диссертационная работа написана строгим научным языком, в хорошем стиле и имеет четкое логическое построение.