Автореферат (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния), страница 3

Авторы [2] связываютданный сдвиг с формированием кристаллических областей нанометровыхразмеров.Рис. 1. Температурные зависимости темновойпроводимости ипроводимости пленок при их освещении излучением с различными энергиямиквантов для пленок, полученных при RH=3 (a) и RH=10 (b).Для данных пленокбыли обнаружены особенности в поведениифотопроводимости и поглощения в области края поглощения (или в«дефектной» области). На рисунке 1 показаны температурные зависимоститемновой проводимости и фотопроводимости пленок с RH=3 и RH=10 (pcSi:H).Интенсивностьподбираласьтакимосвещенияобразом,причтобыразличныхобеспечитьэнергияхблизкиеквантазначенияфотопроводимости в области низких температур. Как видно из рисунка, впленкахpc-Si:Hнаблюдаетсяэффекттемпературногогашенияфотопроводимости (ТГФ) при их освещении светом с энергией кванта 1,3 эВ.Эффект ТГФ известен для пленок a-Si:H, однако в данном материале оннаблюдается при возбуждении межзонным светом (hν > 1,8 эВ).

Важноотметить, что при hν=1,3 эВ, поглощение в нанокристаллах кремниясущественно выше, чем в a-Si:H, поэтому даже небольшая их концентрация14может оказывать значительный эффект на генерацию неравновесныхносителей заряда. В работе наблюдаемый в пленках pc-Si:H эффект ТГФобъясняетсятермическимвыбросомнеосновныхносителейзаряда,сгенерированных в нанокристаллах, в матрицу a-Si:H и их вкладом впроцессы рекомбинации.Известно, что длительное освещение пленок a-Si:H приводит кобразованию в них метастабильных оборванных связей. Это в свою очередьприводит к увеличению плотности состояний в середине щели подвижностиматериала и, как следствие, к увеличению коэффициента поглощения пленокв области края поглощения.

Проведенное в работе изучение влияниядлительного освещения на свойства пленок pc-Si:H также выявилофотоиндуцированные изменения параметров этого материала. Однако,освещение пленок pc-Si:H слабым монохроматическим светом (hν= 1,8 эВ; 2мВт/см2) приводит к уменьшению их поглощения в области hν= 1,2-1,5 эВ,измеренного методомСРМ.Какбылоотмеченовыше,в данномспектральном диапазоне поглощение в нанокристаллах кремния существенновыше, чем в a-Si:H. Метод СРМ регистрирует только поглощение,приводящее к появлению фототока, поэтому наблюдаемое уменьшениепоглощения объяснено в работе изменением вклада нанокристаллов кремнияв полную фотопроводимость материала.В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены свойствапленокполиморфногогидрогенизированногокремния.Исследовалисьпленки pm-Si:H, полученные при варьировании давления и состава газовойсмеси в реакционной камере, температуры кварцевых подложек (TS) итолщины пленок.

На спектрах КРС пленок pm-Si:H, как и в случае пленок pcSi:H, отсутствовал «кристаллический» максимум около 520 см-1. Этосвидетельствует о том, что объемная доля кристаллической фазы в пленкахне превосходит 10%. В тоже время для корректной аппроксимации спектровКРС пленок pm-Si:H необходимо введение дополнительного максимума сцентром около 500 см-1. Данная линия обсуждается в литературе, и по15мнению авторов [3] связана с присутствием в пленках нанокристаллов малыхразмеров.Уменьшение давления газовой смеси в реакционной камере приосаждении pm-Si:H приводит к росту поглощения в области энергий квантов1,2-1,5 эВ (см. рисунок 2).

Одновременно наблюдается рост интенсивностимаксимума около 500 см-1 на спектрах КРС. Наличие нанокристаллов впленке,полученнойпринаименьшемиспользованномдавлении,подтверждено снимками просвечивающей электронной микроскопии (см.вставку на рисунке 2). На снимках пленок pm-Si:H, полученных при болеевысоких давлениях, нанокристаллов не наблюдалось. В работе показано, чтонанокристаллы кремния, практически не регистрируемые с помощьюспектроскопии КРС, влияют не только на поглощение, но и на проводимостьи фотопроводимость пленок pm-Si:H.Изменение толщины пленок pm-Si:H в пределах 300-1270 нм не влияетна их электрические и фотоэлектрические параметры. Это свидетельствуетоб однородности распределения нанокристаллов по толщине пленок.Однородность распределения нанокристаллов подтверждена снимкамипросвечивающей электронной микроскопии.Рис.2.Спектральныезависимостикоэффициентапоглощения,измеренныеметодом СРМ, для пленок pmSi:H, полученных при различныхдавлениях газовой смеси.

Навставкепоказанснимокпросвечивающей электронноймикроскопиидляпленки,указанной стрелкой.16Приведенныефотоэлектрическихвработеданныепараметровпленокпоказывают,pm-Si:Hчтопостабильностьотношениюкдлительному освещению зависит от условий осаждения пленок. В частности,обнаружено, что фотопроводимость при комнатной температуре пленок pmSi:H, осажденных при высоких температурах подложек (TS=275 ºС),практически не изменяется после их длительного освещения. Уменьшение TSприводит к увеличению фотоиндуцированной деградации пленок. Этосвязано с ростом концентрации водорода в структуре пленок, полученныхпри низких температурах.Пятая глава посвящена исследованию структуры и свойств пленок aSi:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами.

Обработкапленок a-Si:H осуществлялась излучением лазерной системы на основекристалла Yb:KGW. Для модификации пленок использовались импульсы счастотой повторения 100-200 кГц, длиной волны излучения λ=515, 640 или1030 нм и длительностью 60 фс - 1 пс. Применялся сканирующий методобработки поверхности a-Si:H. Скорость сканирования составляла 1-5 мм/с.Диаметр лазерного пучка в сечении пленки менялся от 15 до 100 мкм взависимости от использованной фокусировки и интенсивности лазерногоизлучения. Для различных серий образцов расстояние между центрамисоседних полос сканирования варьировалось таким образом, что перекрытиемежду пучками составляло от 0 до 90%.

Варьирование плотности энергиилазерныхимпульсовпозволилопровестиразличнуюструктурнуюмодификацию пленок, в том числе, кристаллизацию a-Si:H, формированиепериодических поверхностных структур, частичное удаление материала,окисление кремния (вследствие обработки на воздухе). Анализ спектров КРСлазерно-модифицированныхпленокпоказал,чтоподборпараметровобработки позволяет получить различную объемную долю кристаллическойфазы в пленках до 70-80% при всех использованных длинах волн. Однакозначения интенсивности излучения, необходимые для кристаллизациипленок, существенно зависят от длины волны. Кроме того, спектроскопия17КРС позволила качественно оценить характер распределения нанокристалловпо толщине пленок, составляющей 300 нм.

Поскольку при измеренииспектров КРС использовался лазер с длиной волны 488 нм, то толщинаанализируемой области составляла около 50 нм. На рисунке 3 приведеныспектры КРС, снятые со стороны пленки и со стороны кварцевой подложки.Как видно из рисунка, при обработке a-Si:H импульсами с λ=515 нм, вблизиподложки материал сохраняет исходную аморфную структуру, даже приусловии максимальной достигнутой кристаллизации приповерхностногослоя. В тоже время спектры КРС пленок, обработанных излучением с λ=1030нм, практически одинаковы с обеих сторон пленки даже в случаеминимальной различимой при помощи КРС доли нанокристаллов, чтосвидетельствует о высокой однородности структуры материала.Рис. 3. Снятые со стороны пленки и со стороны подложки, спектры КРСпленок a-Si:H, облученных лазерными импульсами с длиной волны 515 (a) и1030 нм (b).Кристаллизацияпленокa-Si:Hфемтосекунднымилазернымиимпульсами приводила к увеличению их темновой проводимости на 3-5порядков величины.

Это связано с образованием канала, состоящего изнанокристаллов кремния, между электрическими контактами. В тоже времяизмененияфотопроводимостипленокпослеихоблученияменеезначительны. Можно отметить тенденцию к уменьшению фотопроводимостипленок при промежуточных интенсивностях лазерной обработки. Мы18связываем наблюдаемый спад фотопроводимости с ростом концентрациидефектов в пленках. Действительно, на спектрах СРМ исследованных пленокнаблюдается рост поглощения в области hν<1.4 эВ после лазерной обработкиматериала(см.рисунок4а).Этосвидетельствуетобувеличенииконцентрации дефектов и плотности электронных состояний, связанных сними.Исследованиеинтенсивностирамановскихмод,связанныхсколебаниями Si-H связей, показало, что атомы водорода выходят изструктуры пленок под действием лазерной обработки.

Это объясняет ростконцентрации оборванных связей в пленках.Рис. 4. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренныеметодом СРМ, для пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами, до (a) и после (b) их пост-гидрогенизации.Проведенные исследования показали, что, несмотря на значительноеувеличение доли кристаллической фазы с ростом энергии лазерныхимпульсов, спектры СРМ практически всех модифицированных пленокимеют одинаковую форму, характерную для a-Si:H (см.

рис 4а). Только дляпленки, облученной с плотностью энергии лазерных импульсов 155 мДж/см2,наблюдается изменение формы спектра, характерное для пленок nc-Si:H.Данный результат свидетельствует о малом вкладе сформированных врезультателазернойобработкинанокристалловвфотопроводимостьматериала и, следовательно, в поглощение, измеренное методом СРМ. Мысвязываем эту особенность с выходом атомов водорода из структуры19кристаллизованной части пленок, что приводит к росту концентрациидефектов и спаду фотопроводимости. В работе показано, что выдерживаниелазерно-модифицированных пленок в течение одного часа в водороднойплазме позволяет частично восстановить содержание водорода в них.