Автореферат (1097806), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом размернанокристаллов существенно не изменяется и лежит в области 5-7 нм. Отмечается, чтов случае nc-Si/a-Si:H с долей кристаллической фазы более 80 % наблюдаетсяобъединение нанокристаллов в колонны размером 30-100 нм, расположенныеперпендикулярно поверхности пленки. В литературе такие пленки принято называтьнанокристаллическим кремнием и обозначать посредством nc-Si:H (следует отметить,что для таких пленок широко также используется название микрокристаллическийкремний и обозначение с-Si:H).В случае пленок nc-Si/a-Si:H, полученных путем ФЛО пленок a-Si:H, долюкристаллической фазы можно изменять, варьируя плотность энергии (W0) в лазерныхимпульсах. Показано, что увеличивая W0 до значений порядка 200 мДж/см2 можнодовести долю кристаллической фазы до значения Xc70 %.
Однако, начиная с W0100мДж/см2 наблюдается частичное отслаивание пленки. Поэтому в отличие от методаPECVD, фемтосекундная лазерная кристаллизация a-Si:H позволяет получать безчастичного разрушения пленки значения Xc только порядка 30 %.Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было обнаружено, чтодля пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО с большими плотностями энергии (W0>20014мДж/см2) на воздухе, наблюдается процесс значительного окисления. При облучении aSi:H фемтосекундными лазерными импульсами с W0 ≥ 260 мДж/см2 более 90 % атомовкремния окисляются (образуются нанокристаллы окруженные слоем SiO2). Анализсостава пленки по толщине методом ионного травления показал, что процентныйсостав SiO2 не изменяется по крайней мере до глубины в 50 нм.В заключительной части первой главы рассматривается вопрос о дефектах впленках nc-Si/a-Si:H.
Мощным инструментом для определения дефектов являетсяспектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Анализ литературныхданных показывает, что методом ЭПР определены дефекты в пленках nc-Si/a-Si:H сбольшой объемной долей нанокристаллов. В то же время в литературе отсутствуютисследования ЭПР спектров пленок nc-Si/a-Si:H со значениями Xc10 %.Результаты исследования парамагнитных центров в образцах nc-Si/a-Si:H с Xc10% и диаметром нанокристаллов ~4 нм показали, в спектре ЭПР пленки присутствуетинтенсивныйсигналанизотропнойформы.Компьютерноемоделированиеэкспериментального спектра ЭПР было выполнено в программе SIMFONIA. Врезультате были получены следующие главные значения g-тензора и значения ширинылинии данного сигнала ЭПР: g1=1.9980, ΔH1=4 Гс; g2=1.9885, ΔH2=13 Гс; g3=1.9790,ΔH3=13 Гс.
Определенная с помощью эталона концентрация парамагнитных центровсоставила 8.2·1018 см-3. Хорошо известно, что в нелегированных пленках a-Si:H и ncSi:H в большинстве случаев регистрируется сигнал ЭПР изотропной формы сg = 2.0055, который приписывается оборванным связям Si [12-14]. Сигнал ЭПР,подобный полученному нами для nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллической фазы,наблюдался в легированных образцах nc-Si:H n-типа [13,15-19] и при освещениянелегированных пленок nc-Si:H при низкой температуре [20].Поскольку исследованные пленки nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллическойфазы не были легированными, то полученный результат не может быть объяснен такимже образом, как и в nc-Si:H n-типа. Источником обнаруженного сигнала ЭПР в пленкахnc-Si/a-Si:H с Xc10 % может быть кристаллическая фаза кремния, а именно,электроны, захваченные на состояния в хвосте зоны проводимости системынанокристаллов кремния.
Следует отметить, что нельзя полностью исключить наличияоборванных связей в исследуемых структурах, можно лишь констатировать ихпренебрежимо малуювеличину по сравнениюс концентрациейэлектронов,захваченных на состояния хвоста зоны проводимости и достигающей значения порядка1019 см-3. Таким образом, введение в пленки аморфного кремния небольшой долинанокристаллов существенным (неаддитивным) образом изменяет распределениеэлектронов в образце. Обнаруженное кардинальное изменение спектров ЭПР привведении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфную матрицу, делает15ЭПР-спектроскопиюуникальныминструментомэкспресс-анализаналичиянанокристаллов в наномодифицированных образцах аморфного кремния.Вторая глава посвящена исследованию оптических свойств пленок nc-Si/a-Si:H.В начале главы, в пункте 2.1, представлены имеющиеся на момент постановки задачилитературные данные по оптическим свойствам nc-Si/a-Si:H.
Из представленногоанализа литературных данных следует, что в литературе отсутствовала единая точказрения о механизмах оптического поглощения в nc-Si:H. Кроме того, не былопроведено исследований по влиянию введения различной доли нанокристаллов вматрицуa-Si:Hнаспектральныезависимостикоэффициентапоглощенияифотолюминесценцию.Спектральные зависимости коэффициента поглощения в диссертационной работеизмерялись методом постоянного фототока (CPM - Constant Photocurrent Method).Основы метода CPM изложены в пункте 2.2. Анализ спектральных зависимостейкоэффициентапоглощенияnc-Si:H,втомчислеполученныхспомощьюдополнительной фоновой подсветки даны в пункте 2.3. На рисунке 1 представленатипичная спектральная зависимость относительного коэффициента поглощенияcpm(h)/cpm(1.8 эВ), измеренная методом CPM, для пленки nc-Si:H (кривая 1).
Каквидно из рисунка, полученная зависимость коэффициента поглощения в областиэнергий кванта h>1.2 эВ хорошо описывается квадратичной зависимостью,характерной для непрямых оптических переходов с участием фононов в c-Si [21]. Навставке к рисунку 1 данная спектральная зависимость представлена в координатах1/2cpm(h). Экстраполяция зависимости 1/2cpm(h), полученной в области h>1.2 эВ, коси абсцисс дает значение Eo=1.12 эВ, что близко к величине ширины запрещеннойзоны c-Si. Характер спектральной зависимости cpm(h) в области h>1.2 эВ, а такжеполученное значение Eo указывают на то, что основной вклад в поглощениеисследованных пленок, регистрируемое методом CPM, дает кристаллическая фаза.В области h<1.2 эВ наблюдается так называемый “хвост” поглощения.
Нашиисследования, а также данные работ [22,23] указывают на то, что поглощение в даннойобласти энергий кванта определяется состояниями дефектов типа оборванных связей,основная часть которых расположена на границах колонн микрокристаллов.Нарисунке1(кривая2)показанатакжеспектральнаязависимостьcpm(h)/cpm(1.8 эВ) пленки nc-Si:H, полученная в условиях дополнительной фоновойподсветки (h=1.8 эВ, I=5·1014 см-2с-1). Видно, что фоновая подсветка приводит кувеличению коэффициента поглощения nc-Si:H в области “хвоста” поглощения.Предположено, что наблюдаемое увеличение коэффициента поглощения, измеренногов условиях фоновой подсветки, связано с увеличением заполнения состояний16оборванных связей, ответственных за поглощение при h<1.2 эВ и, соответственно, сувеличением их вклада в поглощение nc-Si:H.10012Рис.
1. Спектральные зависимостикоэффициентапоглощенияcpm(h)/cpm(1.8 eV) пленки nc-Si:H,измеренные методом постоянногофототока без подсветки (1) и вусловиях фоновой подсветки сэнергией кванта h=1.8 эВ иинтенсивностью I=5·1014 см-2с-1 (2).Навставке–спектральнаязависимость(измереннаябезподсветки) 1/2cpm(h).1.2cpm1/2, arb. unitscpm /cpm(1.8 eV)10-110-210-31.00.80.60.40.20.01.01.52.0h, eV10-40.81.01.21.41.61.82.0h, eVПункт 2.4 посвящен исследованиям влияния объемной доли кристаллическойфазы на спектральные зависимости коэффициента поглощения nc-Si/a-Si:H. Для пленокnc-Si/a-Si:H с долей кристаллической фазы менее ~50 % характер измеренныхспектральных зависимостей коэффициента поглощения соответствует аналогичнымзависимостям, наблюдаемым для гидрогенизированного аморфного кремния. Этоуказывает на то, что процессы генерации неравновесных носителей заряда в такихпленках определяются главным образом аморфной матрицей.
Причем увеличениеобъемной доли кристаллической фазы в матрице a-Si:H до 50 % приводит квозрастанию коэффициента поглощения в области энергий кванта h<1.4 эВ.Поскольку в a-Si:H поглощение в данной области спектра связано с дефектами типа«оборванных» связей, то можно предположить, что концентрация указанных дефектовв nc-Si/a-Si:H растет с увеличением Xc.В пунктах 2.5, 2.6 и 2.7 приведены данные по фотолюминесценции пленок nc-Si/aSi:H. Установка для регистрации спектров фотолюминесценции описана в пункте 2.5.
Впункте 2.6 сообщается о том, что в пленках a-Si:H, подвергнутых ФЛО на воздухе сплотностями энергии более 250 мДж/см2, наблюдается фотолюминесценция в видимойобласти спектра. Как было установлено в главе 1, в пленках a-Si:H, подвергнутых ФЛОна воздухе с плотностями энергии более 250 мДж/см2, более 90 % атомов кремнияокисляются. В связи с этим делается вывод, что наблюдаемая фотолюминесценциясвязана с наличием окисленного кремния в облученных пленках. Из анализа спектровКРС было определено, что средний размер нанокристаллов, образующихся в пленках aSi:H, облученных c W0>250 мДж/см2, составляет примерно 8 нм.
Проведенные оценкипоказали, что для столь крупных нанокристаллов наблюдаемая фотолюминесценция с17максимумом вблизи 675 нм не может быть объяснена квантовым размерным эффектом.Поэтомуобнаруженнаяфотолюминесценциясвязываетсясрекомбинациейнеравновесных носителей заряда через дефектные состояния, образующиеся в процессеФЛО. Разумно предположить, что основная часть образующихся дефектных состоянийнаходится на границе раздела между созданными в результате лазерного облучениякремниевыми нанокристаллами и матрицей SiO2. Отмечается также, что наблюдаемаяфотолюминесценцияуказываетнавозможностьиспользоватьслоиa-Si:H,подвергнутые облучению фемтосекундными лазерными импульсами с большойплотностью энергии, для переизлучения ультрафиолетовой части солнечного спектра ввидимый свет, эффективно преобразуемый солнечным элементом на основе a-Si:H.В пункте 2.7 сообщается о том, что полученный нами спектр фотолюминесценциипленок nc-Si/a-Si:H с небольшой долей кремниевых нанокристаллов (Xc<20 %) можноразделить на две составляющие: люминесценцию с максимумом вблизи 1.3 эВ,соответствующую излучательным переходам хвост-хвост в аморфном кремнии, илюминесценцию с максимумом вблизи 1.5 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
