Диссертация (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния), страница 11

На рисунке 18 представленызависимости подвижности электронов и дырок в облученных пленках a-Si:H от плотностиэнергии лазерных импульсов, полученные авторами [112]. Как видно из рисунка,представленные зависимости для подвижностей электронов и дырок имеют схожий характер.Для двух наиболее толстых образцов (толщиной 80 и 145 нм) можно выделить трихарактерные области (обозначенных на рисунке римскими цифрами I, II, III). Полученныерезультаты авторы связывают с изменением структуры пленок. С помощью просвечивающейэлектронной микроскопии авторы установили, что область I соответствует кристаллизациипленок. Причем в пленке образуются нанокристаллы размером менее 50 нм. Из рис.

1850следует, что режим I не зависит от толщины исходной пленки. Область II соответствуетрежиму насыщения. В этом случае, по-видимому, доля кристаллической фазы в пленке неизменяется, но происходит незначительный рост поперечных размеров нанокристаллов. Вслучае области III происходит резкий рост размеров нанокристаллов. Было установлено, чтосредний размер нанокристаллов равен приблизительно 300 нм, что больше толщиныисследованных пленок.Многие авторы отмечают резкий рост (более чем на 5 порядков величины) темновойпроводимости пленок a-Si:H после их облучения наносекундными лазерными импульсами[96, 133-135]. Этот рост связывают с кристаллизацией пленок.

Подобная тенденцияпроявляется и в случае легированных исходных пленок a-Si:H. Причем для легированныхфосфором пленок отмечается, что при уменьшении степени легирования пленок от 10-2 до 104молярной доли фосфора порог кристаллизации (сопровождающийся резким увеличениемпроводимости) увеличивается с 85 до 135 мДж/см2 [134].Авторы [135] наблюдали немонотонное изменение темновой проводимости пленок aSi:H, облученных наносекундными лазерными импульсами, при увеличении числаимпульсов. При использовании для облучения пленок одиночных импульсов с плотностьюэнергии ≥110 мДж/см2 проводимость пленок возрастает приблизительно до 10-4 Ом-1см-1.Однако проводимость таких пленок падает до 10-6 Ом-1см-1 при увеличении числа импульсов.Авторы работы [135] предполагают, что при облучении пленки a-Si:H одиночным лазернымимпульсом в ней создается дополнительное число дефектов, причем структура пленкиостается аморфной.

Увеличение числа дефектов увеличивает проводимость, за счетпрыжкового переноса носителей заряда через состояния дефектов. Увеличение числаимпульсов при облучении пленок a-Si:H приводит к их кристаллизации. При этом значенияпроводимости падают до 10-6 Ом-1см-1, типичного для nc-Si:H, содержащего большуюобъемную долю нанокристаллов в своей структуре.Температурные зависимости фотопроводимости и темновой проводимости пленок aSi:H, осажденных при разных температурах и облученных лазерными импульсами сдлительностью 1 мс и плотностью энергии 12 Дж/см2, представлены на рисунке 19 вполулогарифмическом масштабе [136].

Из рисунка видно, что при высоких температурахзависимость темновой проводимости имеет линейных характер, который изменяется припонижении температуры. Такое изменение предполагает наличие более чем одногомеханизма проводимости в пленках. Линейная часть зависимости, по мнению авторов [136],51соответствуетпроводимостипо делокализованным состояниям.Энергияактивацииуменьшается с увеличением температуры осаждения пленок, что связано с уменьшениемсодержания водорода в пленках, а значит, ширины щели подвижности a-Si:H. При низкихтемпературах имеет место прыжковый механизм переноса носителей заряда.Рис.

19. Температурные зависимости фотопроводимости и темновой проводимости пленокa-Si:H, подвергнутых наносекундной лазерной кристаллизации с плотностью энергиилазерных импульсов 12 Дж/см2. Исходные (до лазерной кристаллизации) пленки a-Si:H былиполучены при температурах подложки 150 oС (a) и 225 оС (b) [136].-----------------------------------------Таким образом, кристаллизация пленок a-Si:H сверхбыстрыми лазерными импульсамиявляется важной как с научной, так и с практической точек зрения технологией.

В то времякакисследованиеструктурылазерно-модифицированныхпленокa-Si:Hширокопредставлены в литературе, данные об электрических, фотоэлектрических и оптическихсвойствах подобных пленокпрактически отсутствуют. Поэтому изучение влиянияструктурных модификаций, вызванных фемтосекундной лазерной обработкой a-Si:H, наэлектронные процессы, определяющие генерацию, рекомбинацию и транспорт носителейзаряда в материале, является важной задачей.52Выводы из литературного обзора и постановка задачиАнализ представленных в литературе данных, посвященных двухфазным пленкамгидрогенизированного кремния, показывает, что особенности двухфазной структурыприводят к существенным изменениям физических свойств материалов. В настоящее времявнимание исследователей привлекают новые материалы на основе тонких кремниевыхпленок, таких как пленки a-Si:H, кристаллизованные фемтосекундными лазернымиимпульсами, и пленки a-Si:H, в структуре которых присутствует небольшая доля кремниевыхнанокристаллов.

Несмотря на отмеченные в литературном обзоре перспективы примененияданных материалов, корреляции между структурой пленок и их физическими свойствамиизучены мало и фрагментарно. Поэтому в настоящей работе была поставлена задачаустановленияэлектронныхпроцессов, определяющих оптические,электрическиеифотоэлектрические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния и выявлениевлияния особенностей структуры пленок на данные процессы.53Глава 2. Методика измеренийИнформация о структуре пленок гидрогенизированного кремния получалась изанализа спектров комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС), измеренныхмикро-Рамановским спектрометром Horiba Jobin Yvon HR800 при возбуждении образцовизлучением с длиной волны 488 нм в геометрии обратного рассеяния.

Карты спектроврамановского рассеяния регистрировались с помощью ближнепольного микроскопа Witecalpha 300 в конфокальном режиме с измерением рамановских спектров при возбужденииобразцов излучением с длиной волны 530 нм с разрешением 332 нм.Для анализа морфологии поверхности исследованных пленок использовалась атомносиловая микроскопия (АСМ) (FemtoScan, кантилевер CSG 11) и сканирующая электроннаямикроскопия (РЕМ) (Zeiss Evo50). Для получения АСМ снимков сканирование проводилось вконтакте с поверхностью в режиме топографии при скорости сканирования 1,5 Гц.Для подтверждения наличия нанокристаллов малых размеров в пленках pm-Si:Hиспользовалась просвечивающая электронная спектроскопия (ПЭМ), реализованная на базеэлектронного микроскопа Libra 200FE при ускоряющем напряжении 200 кВ.Структура парамагнитных центров изучалась при помощи ЭПР спектроскопии,реализованной на базе ЭПР-спектрометра Bruker ELEXSYS-500 с рабочей частотой 9,5 ГГц ичувствительностью 5·1010 спин/Гс.

Для расчета концентрации парамагнитных центровиспользовался эталон CuCl2·(2H2O).Спектры фотолюминесценции образцов, облученных лазерными импульсами высокойинтенсивности, снимались при возбуждении излучением Ar-лазера (λ = 364 нм, мощность 60мВт). Химический состав этих пленок анализировался при помощи рентгеновскойфотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на базе спектрометра PHI 5500 ESCA (PhysicalElectronics). Фотоэлектронная эмиссия возбуждалась Kα линией Mg (hν = 1253.6 eV)мощностью 330 Вт. Диаметр анализируемой области составлял от 0.6 до 1.1 мм.Контролируемое травление поверхностных слоев проводилось с помощью ионов аргона (Ar).Для проведения электрических измерений исследуемые образцы помещались воптический криостат, позволяющий проводить измерения в интервале температур 100 – 480К.Проводимость,фотопроводимостьиспектральныезависимостикоэффициентапоглощения измерялись в вакууме при остаточном давлении 10-3 Па после отжига плёнок притемпературе 170 0С в течение 5 минут (в работе отмечены отдельно исследования, в которых54указанная процедура не проводилась).

Фотопроводимость измерялась при освещении светомс длиной волны 692 нм и интенсивностью 2 мВт/см2.Темновая проводимость (σd) и фотопроводимость (σph) вычислялись по формуламd=(∙ )/( ∙ ); Δгде U - напряжение на образце,h=( ph∙ℎ,)/( ∙ ) −( ∙ )/( ∙ ),(2)- ток через образец с освещением и без него,соответственно, L - расстояние между контактами, S – площадь поперечного сеченияконтактов.Рис.

20. Блок-схема установки для измерения электрических и фотоэлектрических свойствнеупорядоченных полупроводников: 1) лампа накаливания; 2) светофильтр; 3) модуляторсвета; 4) монохроматор; 5) набор фильтров; 6) фокусирующая линза; 7) полупрозрачноезеркало; 8) криостат с образцом; 9) фотоприемник; 10) цифровой амперметр; 11) цифровойпикоамперметр со встроенным источником питания; 12) блок управления питанием лампы;13) синхронизирующий усилитель переменного сигнала (Lock-In Amplifier); 14) блокуправления модулятором; 15) персональный компьютер.Для измерения проводимости, фотопроводимости и спектральных зависимостейкоэффициентапоглощенияметодомпостоянногофототокаиспользоваласьавтоматизированная установка, блок-схема которой показана на рисунке 20.

Свет отисточника излучения 1, в качестве которого используется галогеновая лампа, проходя черезсветофильтр 2 и модулятор света 3 (THORNLABS model MC 1000 optical chopper), попадаетна входную щель монохроматора 4 (Lot Oriel 1/8 m Monochromator model 74000).Светофильтр 2 (ПС 13) используется для уменьшения интенсивности света в области энергийквантов, больших 1.7 эВ. Дифракционная решетка монохроматора позволяет выделятьмонохроматическое излучение.