Диссертация (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния), страница 10

На рисунке 15 представлена зависимость содержания водорода впленках a-Si:H от плотности энергии лазерных импульсов, использованных для облученияпленок. Отметим, что представленные зависимости содержания водорода в пленкахтолщиной 300 нм и 500 нм относятся не ко всей толщине пленок, а только к области, гдепроизошла модификация структуры в результате наносекундного лазерного облучения.Авторами [96] установлено, что дегидрогенизация пленок толщиной 300 и 500 нм происходитне по всему объему, а только в приповерхностной области, толщиной от 80 до 130 нм.

Этоможет быть связано с тем, что при указанных плотностях энергии разогрев пленокпроисходит неравномерно по их толщине. В работе [120] это было подтверждено наосновании численного моделирования.Исследования показали, что в результате лазерной кристаллизации происходитизменение структуры поверхности пленок. Заметим, что текстурирование поверхностиявляется одним из способов увеличения эффективности солнечных элементов для болееполного захвата солнечного света. Для текстурирования поверхности используютсяреактивное ионное травление, химическое травление или лазерная обработка. По сравнениюс остальными методиками лазерная обработка приводит к большему поглощению света. К45тому же лазерное текстурирование поверхности дешевле, чем ионное травление, и можетшироко применяться как для аморфных, так и для кристаллических материалов.Рис.

15. Содержание водорода в пленках a-Si:H толщиной 100, 300 и 500 нм в зависимостиот плотности энергии лазерных импульсов, использованных для облучения пленок [96].В случае обработки кристаллического кремния лазерная методика позволяет создаватьV-образные канавки и микро-шипы, в отличие от химического травления поверхности.

Нарисунке 16 представлен снимок поверхности кристаллического кремния, облученногофемтосекундными лазерными импульсами, и схематическое изображение многократногоотражения на боковых поверхностях «шипов» падающего света [122]. Из-за малой долиотраженного света от модифицированной поверхности такой материал получил название«чёрный кремний».Рис. 16.

Морфология поверхности «чёрного кремния» и схематическое изображениемногократного отражения света на «шипах» [121].При фемтосекундной лазерной обработке образование текстуры на поверхностиполупроводникового материала происходит в два этапа [122]. На первом этапе после двухимпульсов появляется периодическая структура на поверхности плёнок. Такая структура46называется светоиндуцированной периодической поверхностной структурой (light-inducedperiodic surface structure – LIPSS).

После облучения пятью импульсами картина LIPSSзначительно размывается, и вдоль периодических структур образуются «бусинки» («beads»)размером больше, чем длина волны. После 10 импульсов «бусинки» образуют болеевыраженную периодическую структуру. Взаимное расположение и размеры «бусинок»зависят от капиллярных волн на поверхности расплавленного слоя и поверхностногонатяжения, которые, в свою очередь, определяются толщиной расплавленного слоя,наличием примесей в плёнке и температурой.

На втором этапе образовавшиесямикроструктуры приводят к концентрации излучения в долины, расположенные между ними,за счет отражения света от боковых поверхностей микроструктур. Концентрация света вдолинах приводит к тому, что скорость абляции выше в долинах, чем на кончиках шариков.И после сотни лазерных импульсов шарики становятся похожими на высокие острые шипы.Преимущественно такие структуры создаются по причине абляции, а не роста микроструктурна поверхности плёнок [121].Наносекундные лазеры способны создавать наноконусы/наноколонны (шипов) наповерхности полупроводников после нескольких сотен или тысяч импульсов.

Как и в случаефемтосекундных импульсов, образование шипов может быть разделено на два шага:зарождение шипов и их рост. Основной причиной появления наношероховатостей наповерхности пленок является возникновение капиллярных волн, вследствие разницыплотности кремния в твердой и жидкой фазах [123]. Действительно, кремний в жидкой фазезначительно плотнее, чем в твердой, поэтому при рекристаллизации после плавления областьтвердой фазы стремится расшириться, образовывая так называемые «хребты» и «холмы», награнице раздела [124]. Дальнейшее формирование шипов объясняется переосаждениемматериала.

Обогащенный кремнием пар, находящийся между шипами, преимущественнопереосаждается на расплавленных вершинах микроколонн [125]. Боковые поверхности колонне подвержены плавлению или абляции, потому что свет падает на них под большим углом,прикоторомувеличиваетсяотражение.Вотличиеотобразцов,облучённыхфемтосекундными лазерными импульсами, верхушки шипов, полученные в результатеобработки наносекундными лазерами, значительно выше первоначальной поверхности. Этотфакт подтверждает, что рост микроструктур на поверхности плёнок преобладает надабляцией в данном случае.47В работе [126] было показано, что шероховатость поверхности a-Si:H, вызваннаяодним наносекнудным импульсом, почти на два порядка больше, чем шероховатостьповерхности облученного негидрогенизированного a-Si. Это связано с движением пузырьковгаза H2.

Поэтому механизм образования шипов на поверхности a-Si:H является комбинациейтекстурирования поверхности кремния и эффекта движения пузырьков водорода. Однако,эффект движения пузырьков водорода наблюдается только при облучении наносекунднымилазерными импульсами из-за большей глубины расплавленного слоя и высокоготемпературного градиента. Фемтосекундное лазерное излучение оказывает меньшее влияниена движение пузырьков водорода, так как преимущественно происходит абляция, а не рост.Образованные наноструктуры могут выступать в качестве дифракционных решетокдля падающего лазерного излучения [127].

Также отмечается, что при увеличенииперекрытия соседних лазерных пучков при сканировании материала, частоты повторенияимпульсов и плотности энергии лазерного излучения диаметр и высота шероховатостейувеличиваются [113,128]. При этом атмосфера, в которой проводится лазерный отжиг, так жесущественно влияет на модификацию поверхности.

Она может увеличить скоростьостывания лазерно-индуцированного расплава, приводя к более высоким скоростямзатвердевания [128]. Также было обнаружено, что при лазерном облучении пленок a-Si:H вбезкислородной среде на поверхности пленок образовываются более гладкие структуры[129]. То есть наличие кислорода в среде, в которой происходит облучение пленок,существенным образом влияет на шероховатость поверхности пленок.1.3.3 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойствапленок a-Si:H, облученных лазерными импульсамиОсновнойособенностьюпленокa-Si:H,прошедшихобработкулазернымиимпульсами, является существенное увеличение их коэффициента поглощения [130].

Какотмечалось выше, это связано с множественными отражениями падающего света от границнаношероховатостей, формирующихся на поверхности пленок (см. рис. 16). На рисунке 17показаны полученные в работе [130] спектральные зависимости коэффициента поглощенияпленок a-Si:H, обработанных фемтосекундными лазерными импульсами с плотностьюэнергии 1.2 Дж/см2 (50 импульсов), 1.4 Дж/см2 (20 импульсов) и 0,5 Дж/см2 (присканировании со скоростью 2,2 см/с).

Установлено, что на поглощение модифицированныхлазерным облучением пленок a-Si:H сильное влияние оказывает плотность шероховатостей и48структура поверхности [131]. При этом изменение доли кристаллической фазы для данныхобразцов несущественны, так как при выбранных условиях обработки пленки остаютсяпреимущественно аморфными. После лазерной обработки наиболее высокий коэффициентпоглощения на длине волны 1600 нм имеет образец, облучённый с плотностью энергиилазерных импульсов 0.5 Дж/см2, затем 1.4 Дж/см2 и 1.2 Дж/см2. Это означает, чтокоэффициент поглощения обратно пропорционален высоте наношероховатостей. Известно,что поглощение в a-Si:H квантов света с энергиями меньше 1.4 эВ в основном зависит отконцентрации дефектов и примесей в a-Si:H, а также от многократного отражения натекстурированной поверхности.

Обработанные лазерными импульсами образцы имеютсхожую поверхностную геометрию. При этом образец, обработанный с плотностью энергии0.5 Дж/см2, имеет наименее высокие шероховатости и представляет собой наименее толстуюплёнку a-Si:H. Тем не менее, его поглощение максимально за счёт сочетания текстурыповерхности и кристаллизации. В результате получается, что при увеличении доликристаллической фазы, а также при уменьшении высоты наношероховатостей на поверхностиувеличивается коэффициент поглощения плёнок a-Si:H, подвергшихся фемтосекунднойлазерной обработке.Рис. 17. Спектры поглощения исходной плёнки a-Si:H, а также плёнок, подвергнутыхфемтосекундной лазерной обработке в различных условиях (см. в тексте) [130].Облучение лазерными импульсами пленок a-Si:H приводит к изменению оптическойширины запрещенной зоны материала. Теоретические расчеты для пленок двухфазногокремния предполагают монотонное уменьшение ширины запрещенной зоны с увеличениемдоли кристаллической фазы в пленках [132].

В работе [96] было показано, что данная49тенденция хорошо наблюдается для пленок с толщиной 500 нм. Для более тонких пленокнаблюдалась обратная зависимость в некотором диапазоне плотности энергии облучения.Это может быть связано с различным содержанием водорода в пленках. Действительнопохожая зависимость для оптической ширины запрещенной зоны от концентрации водородав пленке была получена в работе [119].Рис. 18. Зависимость подвижности электронов (слева) и дырок (справа) в облученныхпленках a-Si:H от плотности энергии лазерных импульсов. Зависимости представлены длячетырех толщин пленок: 29 нм (квадраты), 40 нм (кресты), 80 нм (полные круги) и 145 нм(открытые круги) [112].Электрические и фотоэлектрические свойства облученных лазерными импульсамипленок a-Si:H исследованы в значительно меньшей степени по сравнению с их структурнымихарактеристиками.Подвижность носителей заряда в пленках a-Si:H, облученных наносекунднымилазерными импульсами, была исследована в работе [112].