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

Московский Государственный Университет имени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиХенкин Марк ВадимовичЭлектрические, фотоэлектрические и оптические свойствадвухфазных пленок гидрогенизированного кремния01.04.10 – Физика полупроводниковДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Казанский А.Г.Москва 2015ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ5ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР141.1 Аморфный гидрогенизированный кремний141.1.1 Способы получения и структура пленок a-Si:H151.1.2 Плотность состояний в пленках a-Si:H161.1.3. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства пленок a-Si:H171.2 Двухфазные пленки гидрогенизированного кремния201.2.1 Нанокристаллический гидрогенизированный кремний1.2.1.1 Получение нанокристаллического гидрогенизированного кремния (nс-Si:H)1.2.1.2 Структура пленок nс-Si:H1.2.1.3 Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства пленок nс-Si:H222223261.2.2 Протокристаллический гидрогенизированный кремний.1.2.2.1 Получение и структура pc-Si:H1.2.2.2 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства pc-Si:H2929301.2.3 Полиморфный гидрогенизированный кремний1.2.3.1 Особенности получения пленок pm-Si:H1.2.3.2 Структура пленок pm-Si:H1.2.3.3 Оптические и фотоэлектрические свойства пленок pm-Si:H333335361.3 Лазерная кристаллизация пленок a-Si:H381.3.1 Механизмы модификации пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсами401.3.2 Структура пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсами431.3.3 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства пленок a-Si:H, облученныхлазерными импульсами48Выводы из литературного обзора и постановка задачи53ГЛАВА 2.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ542.1 Метод постоянного фототока для измерения спектральных зависимостей коэффициентапоглощения5622.2 Анализ спектров комбинационного рассеяния двухфазных пленок гидрогенизированногокремния58ГЛАВА 3. ПРОТОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ 613.1 Исследованные образцы613.2 Структура пленок pc-Si:H613.3 Электрические и фотоэлектрические свойства пленок pc-Si:H633.3 Влияние атмосферы воздуха на электрические свойства пленок pc-Si:H713.4 Фотолюминесценция пленок pc-Si:H74Выводы76ГЛАВА 4. ПОЛИМОРФНЫЙ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫЙ КРЕМНИЙ774.1 Исследованные образцы774.2 Общие особенности исследованных пленок pm-Si:H794.3 Влияние технологических параметров на электрические, оптические и фотоэлектрическиесвойства пленок pm-Si:H844.3.1 Влияние давления газов в реакционной камере на свойства пленок pm-Si:H844.3.2 Влияние температуры подложки на свойства пленок pm-Si:H874.3.3 Влияние тетрафторида кремния (SiF4) в смеси газов-прекурсоров на свойства пленокpm-Si:H904.3.4 Влияние толщины пленок pm-Si:H на их электрофизические и фотоэлектрическиепараметры93Выводы94ГЛАВА 5.

МОДИФИКАЦИЯ ПЛЕНОК A-SI:H ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИИМПУЛЬСАМИ965.1 Исследованные образцы985.2 Структура пленок a-Si:H, модифицированных фемтосекундным лазерным излучением 995.2.1 Кристаллизация пленок a-Si:H фемтосекундным лазерным излучением5.2.2. Спалляция пленок a-Si:H под действием фемтосекундного лазерного излучения9910535.2.3.

Периодические структуры на поверхности пленок a-Si:H, сформированные поддействием фемтосекундного лазерного излучения1085.2.4 Оксидация пленок a-Si:H под действием фемтосекундного лазерного излучения1095.3 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства пленок a-Si:H, облученныхфемтосекундными лазерными импульсами1145.3.1 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства пленок a-Si:H,кристаллизованных фемтосекундными лазерными импульсами1145.3.1.1 Исследование изменения концентрации водорода в пленках a-Si:H под действиемфемтосекундной лазерной обработки1215.3.1.2 Влияние концентрации водорода в исходных пленках a-Si:H на фотоэлектрическиесвойства лазерно-модифицированных пленок1265.3.1.3 Пост-гидрогенизация пленок a-Si:H, кристаллизованных фемтосекунднымилазерными импульсами1305.4 Фотоэлектрические и оптические свойства лазерно-модифицированных пленок a-Si:H,содержащих периодические поверхностные структуры1365.5 Оптические свойства пленок a-Si:H, оксидированных в процессе фемтосекунднойлазерной обработки138Выводы139ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ141ЛИТЕРАТУРА1444ВведениеАктуальность темы.

В последние десятилетия во всем мире наблюдается интенсивноеразвитие тонкопленочной солнечной энергетики. Одним из основных материалов,используемых в тонкопленочных солнечных элементах (СЭ) и обеспечивших существенноеснижениестоимостиваттавыработанноймощности,являетсяаморфныйгидрогенизированный кремний (a-Si:H). Интерес к пленкам a-Si:H связан в первую очередь снизкой стоимостью материала, высоким значением коэффициента поглощения в видимойобласти и совместимостью технологии получения этого материала с технологиями созданияприборов больших площадей. Наиболее существенным недостатком a-Si:H являетсядеградация его фотоэлектрических параметров под действием длительного освещения(эффект Стеблера-Вронского).Нанокристаллический гидрогенизированный кремний (nc-Si:H), представляющий собойдвухфазный материал, состоящий из матрицы аморфного кремния с включениямикристаллического кремния нанометрового размера, так же является широко используемымматериалом в тонкопленочной солнечной энергетике и электронике.

По сравнению с a-Si:H,пленки nc-Si:H обладают высокой подвижностью носителей заряда и стабильностьюпараметров при световом воздействии. В тоже время, nc-Si:H характеризуется низкимкоэффициентом поглощения в области видимого света по сравнению с аморфным кремнием.Однако использование тандемных структур на основе a-Si:H и nc-Si:H в качестве активныхслоев солнечного элемента позволяет существенно расширить его спектр поглощения. Этимопределяется высокое значение КПД таких СЭ, получивших название «микроморфных», посравнению с КПД СЭ на основе a-Si:H или nc-Si:H.На данный момент, основные работы в области тонкопленочной фотовольтаики ведутсяв направлении поисков новых двухфазных материалов и формировании новых структур,перспективных для создания дешевых и эффективных тонкопленочных солнечныхэлементов.

В частности, идет поиск материалов, близких по характеристикам к a-Si:H, однакоотличающихся более высокой стабильностью по отношению к длительному освещению. Ктаким материалам относятся протокристаллический (pc-Si:H) и полиморфный (pm-Si:H)гидрогенизированный кремний.Основным методом получения пленок a-Si:H и nc-Si:H является разложение смесисилана и водорода в плазме тлеющего разряда. При отсутствии или малых концентрациях5водорода в газовой смеси полученная пленка имеет аморфную структуру. Увеличениеконцентрации водорода в смеси ведет к увеличению объемной доли кристаллической фазы впленке. Материал, соответствующий переходным от a-Si:H к nc-Si:H условиям осаждения,получил название протокристаллического кремния.

В его структуре присутствует малая долякремниевых нанокристаллов, расположенных вблизи поверхности пленки. Замена слоев aSi:H на pc-Si:H в солнечных элементах позволяет добиться увеличения стабильностипараметров прибора при длительном освещении. Поэтому изучение фотоэлектрическиххарактеристик пленок pc-Si:H, а так же влияние на них освещения, представляет большойинтерес. Кроме того, важной задачей является поиск простых и неразрушающих методовдетектирования наличия малой доли кристаллических включений в структуре a-Si:H.Помимо pc-Si:H в последние годы внимание исследователей привлекает к себе, такназываемый, полиморфный гидрогенизированный кремния (pm-Si:H).

pm-Si:H, так же как иpc-Si:H, состоит из матрицы аморфного кремния с включением малой доли нанокристалловкремния. Однако в пленках pm-Si:H нанокристаллы размером 1-5 нм распределеныравномерно по всему объему пленки. Это достигается благодаря подбору параметровосаждения пленок, при которых образование кристаллитов/кластеров кремния происходит вгазовой среде в реакционной камере, а не на поверхности растущей пленки.

Пленки pm-Si:Hобладают повышенной стабильностью при световых воздействиях и лучшими электроннымисвойствами по сравнению с a-Si:H. Причины данного улучшения свойств пленокгидрогенизированного кремния на данный момент остаются неясными. Этим определяетсянеобходимость исследования пленок pm-Si:H, в частности их фотоэлектрических свойств.Кроме того представляется важным как с фундаментальной, так и с практической точкизрения исследование влияния параметров осаждения этого нового материала на его структуруи электрические, фотоэлектрические и оптические свойства.Среди различных методик формирования слоев двухфазного кремния в качестве одногоиз наиболее технологичных методов рассматривается лазерный отжиг пленок аморфногокремния. Было показано, что при лазерном отжиге происходит не только кристаллизацияматериала, но также изменяется морфология поверхности пленки.

Это приводит ксущественному увеличению поглощения падающего на поверхность пленки света. Помимоэтого технология лазерной модификации a-Si:H позволяет контролируемым образомформировать структуры на поверхности пленки, что также может приводить к увеличениюпоглощения падающего на пленку света. Отмеченные особенности лазерной кристаллизации6позволяют использовать данный метод для увеличения КПД тонкопленочных солнечныхэлементов.В последние годы появились работы, в которых для кристаллизации a-Si:H используетсяинтенсивное фемтосекундное лазерное излучение.

Значительный интерес к использованиюфемтосекундных лазерных импульсов связан с фундаментальным отличием в данном случаепроцессов поглощения излучения и механизмов изменения структуры материала посравнению с соответствующими процессами в случае режимов облучения в нано- ипикосекундном диапазонах длительностей импульса. Отличие состоит в том, чтомногофотонноенелинейноеоптическоепоглощениевэтомслучаеприводитквозникновению в полупроводнике чрезвычайно неравновесного состояния электроннойподсистемы.