Автореферат (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния)

На правах рукописиХенкин Марк ВадимовичЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАДВУХФАЗНЫХ ПЛЕНОК ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯСпециальность 01.04.10 – Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 20152Работа выполнена на кафедре полупроводников физического факультетаФедерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».Научный руководитель:Казанский Андрей Георгиевич, доктор физико-математических наук, главный научныйсотрудник, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшегообразования«МосковскийгосударственныйуниверситетимениМ.В.Ломоносова», физический факультет, кафедра полупроводников.Официальные оппоненты:Аронзон Борис Аронович, доктор физико-математических наук,начальник лаборатории магнитонаноэлектроники, Научно-исследовательский центр«Курчатовский институт»Хомич Александр Владимирович, кандидат физико-математических наук,Доцент, Фрязинский филиал Федерального государственного бюджетного учреждениянауки Института радиотехники и электроники им.

В.А. Котельникова Российскойакадемии наукВедущая организация:Физико-технический Институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А.Ф.Иоффе)Защита диссертации состоится «__» _______ 2015 года в ____ на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.70 при Московском государственном университетеим.

М.В.Ломоносова, по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, дом 1, стр. 35,конференц-зал Центра коллективного пользования.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и в сети Internet по эл. адресу: http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-....../Автореферат разослан « » октября 2015 года.Ученый секретарь Диссертационного совета Д.501.001.70Кандидат физ.-мат. наук, доцентА.И. Ефимова3Общая характеристика работыАктуальность темы. Тонкие кремниевые пленки являются одним из широкоиспользуемых материалов современной оптоэлектроники.

В частности,использование гидрогенизированных кремниевых пленок, структура которыхсостоит из матрицы аморфного кремния (a-Si:H) и нанокристаллов кремния,в качестве активных слоев солнечных элементов позволяет добиться низкойстоимости ватта произведенной мощности. Интенсивные исследованияподобных двухфазных пленок с большой долей кристаллической фазы,названныхнанокристаллическимкремнием(nc-Si:H),привеликсущественному прогрессу в понимании структуры и электронных свойствматериала.Внастоящеевремяосновныеработывобластикремниевойтонкопленочной фотовольтаики ведутся в направлении поиска новыхматериалов, близких по характеристикам к a-Si:H, однако отличающихсяболее высокой стабильностью параметров по отношению к длительномуосвещению.

К таким материалам относятся пленки a-Si:H, содержащиемалую долю нанокристаллических кремниевых включений в аморфнойматрице.пленокВ зависимости от распределения нанокристаллов в структуреиособенностейпротокристаллическийпроцесса(pc-Si:H)ихиформированияполиморфныйвыделяют(pm-Si:H)гидрогенизированный кремний. В основе получения этих материалов лежитметод плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD).

Несмотря наэффективность данных материалов для оптоэлектронных приложений,особенности их электрических, фотоэлектрических и оптических свойств,связанные с наличием нанокристаллов кремния в аморфной кремниевойматрице, остаются до конца неясными и требуют дальнейшего изучения.Среди различных методик формирования слоев двухфазного кремния вкачестве одного из наиболее технологичных методов рассматриваетсялазерный отжиг пленок a-Si:H.

Было показано, что при лазерном отжиге4происходит не только кристаллизация материала, но также изменениеморфологииповерхностипленок.Этоприводитксущественномуувеличению поглощения падающего на поверхность пленок света. Впоследние годы появились работы, в которых для кристаллизации a-Si:Hиспользуется интенсивное фемтосекундное лазерное излучение. В отличие отболее длительных импульсов, при фемтосекундной лазерной обработкевозможно многофотонное нелинейное оптическое поглощение в a-Si:H,приводящееквозникновениювполупроводникечрезвычайнонеравновесного состояния электронной подсистемы.

Это не только позволяетпроводить кристаллизацию однородно по всей толщине пленок, но такжеприводит к изменению механизмов модификации материала. В большинстверабот, посвященных фемтосекундной лазерной кристаллизации a-Si:H,изучалось изменение структуры модифицированных пленок. Однако внастоящее время практически отсутствуют данные об особенностяхизменения электрических и фотоэлектрических свойств пленок a-Si:H,модифицированных фемтосекундным лазерным излучением, а также данныеоб электронных процессах, определяющих эти свойства.Цель настоящей диссертационной работы состоит в установленииэлектронных процессов,определяющих оптические,электрическиеифотоэлектрические свойства двухфазных пленок гидрогенизированногокремния, а так же в выявлении влияния особенностей структуры пленок наданные процессы.Основные научные задачи работы:1) Проведениесистематическихисследованийспектральныхзависимостей коэффициента оптического поглощения, проводимости ифотопроводимостикристаллическихпленоквключений.a-Si:H,содержащихОпределениевлияниямалуюнадолюданныехарактеристики изменения структуры материала путем варьированияусловий его получения.52) Изучение влияния предварительного длительного освещения напроводимость,фотопроводимостьипоглощениепленокпротокристаллического и полиморфного гидрогенизированного кремния.3) Определение влияния нанокристаллических кремниевых включений вматрице аморфного кремния на механизмы генерации, переноса ирекомбинации неравновесных носителей заряда в пленках двухфазногогидрогенизированного кремния.4) Исследование механизмов модификации структуры пленок a-Si:Hфемтосекундными лазерными импульсами.

Определение влияния условийлазерной обработки пленок на объемную долю кристаллической фазы в ихструктуре и изменение морфологии их поверхности.5) Исследованиевлиянияструктурныхизменений,вызванныхфемтосекундной лазерной обработкой пленок a-Si:H, на электрические,фотоэлектрические и оптические свойства модифицированных пленок.6) Установление влияния процедуры пост-гидрогенизации пленок a-Si:H,кристаллизованных лазерными импульсами, на концентрацию водорода впленках и их фотоэлектрические характеристики.Методы исследования. Для решения поставленных задач использовалисьметоды структурного анализа (атомно-силовая, электронная и оптическаямикроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), оптическиеметоды(спектроскопияфотолюминесценции),комбинационногоэлектрическиеирассеяниясвета,спектрыфотоэлектрическиеметоды(измерение темновой и фотопроводимости, их температурных зависимостей;измерение спектральных зависимостей коэффициента поглощения методомпостоянного фототока).Научная новизна.

В результате проведенных в диссертационной работеисследований получен ряд новых научных результатов по структурным,электрическим,фотоэлектрическимиоптическимдвухфазного гидрогенизированного кремния:свойствампленок61) Обнаружен эффект температурного гашения фотопроводимости приосвещении пленок pc-Si:H излучением с энергией кванта, меньшейшириныщелиподвижностиОбнаруженоa-Si:H.уменьшениекоэффициента поглощения, измеренного методом постоянного фототока, вобласти энергий квантов 1.2 - 1.5 эВ после освещения пленок pc-Si:Hмонохроматическим светом.2) Показано, что пленки pm-Si:H содержат кремниевые нанокристаллы,концентрация которых в аморфной матрице зависит от условий полученияpm-Si:H.Обнаружено,нанокристаллическихчтоналичиевключенийвиувеличениепленкахмалойдоливлияетpm-Si:H,нафотоэлектрические свойства пленок, в частности, вызывает увеличениекоэффициента поглощения, измеренного методом постоянного фототока, вобласти hν =1,2-1,5 эВ.3) Обнаружено, что увеличение температуры подложки при получении pmSi:H приводит к уменьшению эффекта фотоиндуцированного измененияэлектрическихифотоэлектрическихпараметровпленоки,соответственно, к увеличению стабильности их характеристик.4) Показано, что облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазернымиимпульсамипозволяетконтролируемымобразомпроводитькристаллизацию пленок.

Выбор условий лазерной обработки позволяетизменятьобъемнуюдолюкристаллическихвключенийиихраспределение по толщине пленки.5) Показано влияние условий фемтосекундного лазерного облучения наморфологию текстурированной поверхности, возникающей при лазернойкристаллизации a-Si:H. Продемонстрирована возможность формированияпериодических поверхностных наноструктур путем облучения a-Si:Hимпульсами с длительностью 300 фс и длиной волны в областипрозрачности материала.6) Показано,чтокристаллизацияпленокa-Si:Hфемтосекунднымилазерными импульсами приводит к существенному увеличению их7темновойпроводимостиислабомунемонотонномуизменениюфотопроводимости.

Показано, что малый вклад в фотопроводимостьмодифицированных пленок сформированных нанокристаллов связан с ихдегидрогенизацией в процессе модификации структуры материала.Продемонстрированаконцентрациивозможностьводородавчастичногооблученныхпленкахвосстановленияпутемихпост-гидрогенизации.Практическая ценность работы. Полученные в работе данные обэлектрическихифотоэлектрическихпараметрахпленокпротокристаллического и полиморфного кремния, их корреляции соструктурой пленок, а так же данные об их изменении под действиемдлительногоосвещения,могутбытьиспользованыдлясозданиятонкопленочных оптоэлектронных приборов, в частности, активных слоевсолнечных элементов. Полученные данные о влиянии условий полученияматериалов на их фотоэлектрические характеристики позволяют определитьоптимальные условия осаждения пленок для формирования эффективныхоптоэлектронныхструктур.Отмеченныевработеособенностифотопроводимости пленок pm-Si:H и pc-Si:H, связанные с присутствиемнанокристаллических включений в структуре этих материалов, могут бытьиспользованы для детектирования наличия малой доли нанокристаллов впленках.Полученные в работе данные об изменении структуры, проводимости,фотопроводимости и оптического поглощения пленок a-Si:H в результате егооблученияфемтосекунднымилазернымиимпульсамимогутбытьиспользованы при создании тонкопленочных полупроводниковых приборовна основе аморфного и нанокристаллического кремния и увеличенияэффективностиихработы.Обнаруженнаяполяризационнаячувствительность пленок с периодическими поверхностными структурами,сформированными в результате лазерной обработки пленок a-Si:H, может8быть использована для записи информации в данных полупроводниковыхматериалах.Основные положения, выносимые на защиту.