Диссертация (Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенизированного кремния), страница 2

Проведенные расчеты указывают на то, что возбуждение более 10% валентныхэлектронов должно вызывать «нетермическое размягчение» структуры без изменениятемпературы решетки. При этом возможна нетермическая модификация структурыматериала, если время эмиссии фононов возбужденной электронной подсистемой большедлительности лазерного импульса, что справедливо для фемтосекундных импульсов. Вбольшинстве работ, посвященных фемтосекундной лазерной кристаллизации, изучалосьизменение структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутыхфемтосекундному лазерному облучению.Однаковнастоящеевремяпрактическиотсутствуют данные об особенностях изменения электрических и фотоэлектрических свойствпленок гидрогенизированного аморфного кремния, модифицированных фемтосекунднымлазерным излучением, а также процессах, определяющих в них эти свойства.

При этомпомимочистонаучногоинтереса,данныепараметрыопределяютэффективностьиспользования материала для фотопреобразования.Таким образом, представленная диссертационная работа посвящена исследованию новыхтонкопленочных материалов на основе двухфазного гидрогенизированного кремния:протокристаллического кремния, полиморфного кремния и нанокристаллического кремния,полученного фемтосекундной лазерной кристаллизацией пленок a-Si:H. Основное внимание вработе уделено изучению электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок иих корреляции со структурой материала.Цель настоящей диссертационной работы состоит в установлении электронныхпроцессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойства7двухфазных пленок гидрогенизированного кремния, а так же в выявлении влиянияособенностей структуры пленок на данные процессы.Основные научные задачи работы:1.Проведениесистематическихисследованийспектральныхзависимостейкоэффициента оптического поглощения, проводимости и фотопроводимости пленок aSi:H, содержащих малую долю кристаллических включений.

Определение влияния наданные характеристики изменения структуры материала путем варьирования условий егополучения.2.Изучение влияния предварительного длительного освещения на проводимость,фотопроводимость и поглощение пленок протокристаллического и полиморфногогидрогенизированного кремния.3.Определение влияния нанокристаллических кремниевых включений в аморфнойкремниевой матрице на механизмы генерации, переноса и рекомбинации неравновесныхносителей заряда в пленках двухфазного гидрогенизированного кремния.4.Исследование механизмов модификации структуры пленок a-Si:H фемтосекунднымилазерными импульсами.

Определение влияния условий лазерной обработки пленок наобъемную долю кристаллической фазы в их структуре и изменение морфологии ихповерхности.5.Исследование влияния структурных изменений, вызванных фемтосекундной лазернойобработкой пленок a-Si:H, на электрические, фотоэлектрические и оптические свойствамодифицированных пленок.6.Установлениевлиянияпроцедурыпост-гидрогенизациипленокa-Si:H,кристаллизованных лазерными импульсами, на концентрацию водорода в пленках и ихфотоэлектрические характеристики.Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методыструктурногоанализарентгеновскаяфотоэлектронная(атомно-силовая,комбинационного рассеянияэлектроннаяспектроскопия),света, спектрыиоптическиеоптическаяметодымикроскопия,(спектроскопияфотолюминесценции), электрическиеифотоэлектрические методы (измерение темновой и фотопроводимости, их температурныхзависимостей; измерение спектральных зависимостей коэффициента поглощения методомпостоянного фототока).8Научная новизна. В результате проведенных в диссертационной работе исследованийполученрядновыхнаучныхрезультатовпоструктурным,электрическим,фотоэлектрическим и оптическим свойствам пленок двухфазного гидрогенизированногокремния:1. Обнаружен эффект температурного гашения фотопроводимости при освещении пленок pcSi:H излучением с энергией кванта, меньшей ширины щели подвижности a-Si:H.Обнаружено уменьшение коэффициента поглощения, измеренного методом постоянногофототока, в области энергий квантов 1.2 - 1.5 эВ после освещения пленок pc-Si:Hмонохроматическим светом.2.

Показано, что пленки pm-Si:H содержат кремниевые нанокристаллы, концентрациякоторых в аморфной матрице зависит от условий получения pm-Si:H. Обнаружено, чтоналичие и увеличение малой доли нанокристаллических включений в пленках pm-Si:H,влияет на фотоэлектрические свойства пленок, в частности, вызывает увеличениекоэффициента поглощения, измеренного методом постоянного фототока, в области hν=1,2-1,5 эВ.3.

Обнаружено, что увеличение температуры подложки при получении pm-Si:H приводит куменьшениюэффектафотоиндуцированногоизмененияэлектрическихифотоэлектрических параметров пленок и, соответственно, к увеличению стабильности иххарактеристик.4. Показано, что облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсамипозволяет контролируемым образом проводить кристаллизацию пленок. Выбор условийлазерной обработки позволяет изменять объемную долю кристаллических включений иих распределение по толщине пленки.5. Показано влияние условий фемтосекундного лазерного облучения на морфологиютекстурированной поверхности, возникающей при лазерной кристаллизации a-Si:H.Продемонстрированавозможностьформированияпериодическихповерхностныхнаноструктур путем облучения a-Si:H импульсами с длительностью 300 фс и длинойволны в области прозрачности материала.6.

Показано, что кристаллизация пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсамиприводит к существенному увеличению их темновой проводимости и слабомунемонотонномуизменениюфотопроводимости.Показано,чтомалыйвкладвфотопроводимость модифицированных пленок сформированных нанокристаллов связан с9ихдегидрогенизациейвпроцессемодификацииструктурыматериала.Продемонстрирована возможность частичного восстановления концентрации водорода воблученных пленках путем их пост-гидрогенизации.Основные положения, выносимые на защиту.

В рамках проведенныхисследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:1.Для пленок гидрогенизированного кремния с протокристаллической структуройнаблюдается эффект температурного гашения фотопроводимости при возбуждениипленок излучением с энергией кванта, меньшей ширины щели подвижности a-Si:H. Дляданных пленок так же характерно уменьшение поглощения, измеренного методомпостоянного фототока, в области энергий квантов 1.2-1.5 эВ после предварительногоосвещения межзонным монохроматическим светом.

Оба эффекта связаны с вкладомнанокристаллов кремния в полную фотопроводимость двухфазного материала.2.Наличие малой доли нанокристаллических включений в пленках pm-Si:H, неприводящее к существенному изменению спектров комбинационного рассеяния света,вызывает увеличение коэффициента поглощения, измеренного методом постоянногофототока, в области hν =1.2-1.5 эВ.3.Увеличение температуры подложки при получении pm-Si:H приводит к уменьшениюэффекта фотоиндуцированной деградации параметров сформированных пленок.

Этотрезультат обусловлен уменьшением концентрации атомов водорода в структуре пленок,полученных при более высокой температуре.4.Облучениепленокконтролируемымa-Si:Hобразомфемтосекунднымипроводитьлазернымикристаллизациюимпульсамипленок.позволяетОбъемнаядолякристаллической фазы полученного материала, а так же ее распределение по толщинепленок, контролируется параметрами получения и обработки пленок, в частности длинойволны и плотностью энергии лазерного облучения.5.Лазернаякристаллизацияпленокa-Si:Hсопровождаетсятекстурированиемихповерхности, морфология которой определяется условиями облучения пленок. Вчастности, облучение пленок может приводить к формированию периодическихповерхностных структур, приводящих к высокой поляризационной чувствительностипленок.6.Кристаллизация пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами приводит кизменениювеличинытемновойпроводимостина3-5порядков,изменения10фотопроводимостисущественнонанокристалловфотопроводимостьвменеевыраженные.Малыймодифицированныхвкладпленоквозникшихсвязансихдегидрогенизацией в процессе модификации структуры материала.Практическая ценность работы.

Полученные в работе данные об электрических ифотоэлектрических параметрах пленок протокристаллического и полиморфного кремния, ихкорреляции со структурой пленок, а так же данные об их изменении под действиемдлительногоосвещения,могутбытьиспользованы длясозданиятонкопленочныхоптоэлектронных приборов, в частности, активных слоев солнечных элементов.

Полученныеданные о влиянии условий получения материалов на их фотоэлектрические характеристикипозволяют определить оптимальные условия осаждения пленок для формированияэффективныхоптоэлектронныхфотопроводимостипленокструктур.иpm-Si:HОтмеченныеpc-Si:H,вработесвязанныеособенностисприсутствиемнанокристаллических включений в структуре этих материалов, могут быть использованы длядетектирования наличия малой доли нанокристаллов в пленках.Полученныевработеданныеобизмененииструктуры,проводимости,фотопроводимости и оптического поглощения пленок a-Si:H в результате его облученияфемтосекундными лазерными импульсами могут быть использованы при созданиитонкопленочныхполупроводниковыхприборовнаосновеаморфногоинанокристаллического кремния и увеличения эффективности их работы.

Обнаруженнаяполяризационная чувствительность пленок с периодическими поверхностными структурами,сформированными в результате лазерной обработки пленок a-Si:H, может быть использованадля записи информации в данных полупроводниковых материалах.Обоснованностьидостоверностьобеспечиваетсяиспользованиемполученныхсовременныхэкспериментальныхэкспериментальныхрезультатовметодик,воспроизводимостью результатов и согласованностью данных, полученных различнымиметодами. Результаты исследований обсуждались на семинарах и докладывались напрофильных конференциях по проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы.Апробация работы.