Диссертация (1097807), страница 10
Текст из файла (страница 10)
1.20. Часть спектра РФЭС, соответствующая Si 2p орбиталям необлученной пленки a-Si:H(штриховая линия) и пленки a-Si:H, облученной с W0 = 260 мДж/см2.Анализ спектров РФЭС для пленок a-Si:H, облученных фемтосекунднымилазерными импульсами с W0 ≥ 260 мДж/см2, показал, что более 90 % атомов кремнияокисляются при воздействии на них лазерными импульсами на воздухе.
На рис. 1.21представлена зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния впленках от плотности энергии лазерных импульсов.Рис. 1.21. Зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния в пленке a-Si:H от плотностиэнергии воздействующих на нее лазерных импульсов.50Дополнительное ионное травление облученных пленок a-Si:H показало, чтопроцентный состав SiO2 не изменяется по крайней мере до глубины в 50 нм. На рис. 1.22представленазависимостьпроцентногосодержаниянеокисленногокремниявоблученной пленке a-Si:H от глубины травления. Как видно из рисунка, вприповерхностной области процентное содержание кремния на 0.5 – 1 % меньше, чем наглубине 30 – 60 нм.
Такое различие связано с наличием на поверхностинеконтролируемойорганической«грязи»,процентноесодержаниекоторойнепревышало 1 %.Рис. 1.22. Зависимость процентного содержания неокисленного кремния в облученной с W0 =260 мДж/см2 пленке a-Si:H от глубины травления.Причина окисления пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами большой интенсивности на воздухе, по всей видимости, связана с лазернымплавлением материала.
При этом процесс диффузии кислорода в глубь образцаускоряется благодаря тому, что коэффициент диффузии кислорода в жидкой фазекремния на 6 порядков выше, чем в кристаллической [102]. К тому же при образованиисубмикронных шероховатостей (рис. 1.13, 1.14) существенно возрастает площадьповерхности.Исследования показали, что доля кристаллической фазы в пленках a-Si:H,облученных фемтосекундными лазерными импульсами с W0>200 мДж/см2 на воздухе,продолжает расти с увеличением плотности энергии в лазерных импульсах. На рисунке511.23 представлены карты распределения доли кристаллической фазы для пленок a-Si:H,облученных фемтосекундными лазерными импульсами с W0=360 и W0=460 мДж/см2.Данные карты были получены путем вычисления в каждой точке поверхностиотношения интегральной интенсивности сигнала КРС в интервале частот от 500 см-1 до530 см-1 к интегральной интенсивности в интервале частот от 460 см-1 до 530 см-1.
Изрисунка видно, что в таких пленках наблюдается неоднородное распределениеконцентрации нанокристаллов по поверхности пленки. Отметим, что указанные нарисунке значения доли кристаллической фазы носят лишь качественный характер, таккак в литературе отсутствуют данные об отношении интегральных сечений КРС вкристаллическом кремнии и оксиде кремния.Рис.
1.23. Распределение объемной доли кристаллической фазы по поверхности пленок a-Si:H,подвергнутых ФЛО с W0=460 мДж/см2 (слева) и W0=360 мДж/см2 (справа).1.4. Дефекты в пленках nc-Si/a-Si:HИсследованиютиповдефектов,возникающихвпленкахnc-Si:H,иихраспределению в структуре посвящено большое количество работ [42,46,55,103-108]. Вданных работах на основании измерений электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)установлено, что основным типом дефектов в nc-Si:H являются оборванные связи.Причем, в случае nc-Si:H основная часть оборванных связей находится на границахколонн нанокристаллов [47,103].
В работах [42,55,61,103-105,107,108] было обнаруженодва сигнала ЭПР, с различными значениями g-фактора (g=2.0055 и g=2.0043) длянелегированных пленок a-Si:H. Необходимо отметить, что существует некий разброс в52приводимых в разных статьях значениях g-фактора. Поскольку концентрацияпарамагнитных центров и значения g-фактора могут зависеть от концентрации водородав газовой смеси, т.е. от значения R, и от температуры подложки в процессе полученияпленки [46], то разброс в значениях g-фактора у разных авторов может быть связан сразличнымиусловиямиполученияпленокнаномодифицированногоаморфногокремния.
Резонанс с g=2.0052 приписывают нейтральным оборванным связям кремния(·Si≡Si) [42,103,105]. Гораздо более сложным оказывается вопрос о природе состоянийответственных за резонанс с линией, имеющей значение g=2.0043. К настоящемумоменту не существует однозначного мнения по данному вопросу.
Авторы работ[42,61,105], принимая во внимание тот факт, что в исследуемых ими пленках nc-Si:Hсодержится большое количество атомов кислорода (∼1019 см-3) предполагают, что линияс g=2.0043 связана с оборванными связями кремния в сильно обогащенных кислородомобластях nc-Si:H. С другой стороны, в работе [61] резонансы с различными g-факторамисвязывают с оборванными связями кремния на границах нанокристаллов друг с другоми на границах нанокристаллов с аморфной фазой.
Необходимо отметить, чтоинтенсивность сигнала ЭПР для g=2.0043 много меньше, чем для g=2.0055, и пик сg=2.0043 вообще пропадает для сильно легированного nc-Si:H р-типа.Интересным фактом является то, что интенсивность сигнала ЭПР с g=2.0055 дляnc-Si:H не изменяется при смещении уровня Ферми на 0.6 эВ, т.е. при изменении типапроводимости пленки. Это, по мнению авторов [103,104], может указывать либо нанепрерывноепоэнергиираспределениеспостояннойплотностьюсостоянийсоответствующих оборванных связей в запрещенной зоне nc-Si:H, либо на наличие вматериале крупномасштабных флуктуаций потенциала.
В то же время, исследованияЭПР в пленках nc-Si:H с разным уровнем легирования [103] указывают на то, чтосостояния с g=2.0043 находятся в нижней половине запрещенной зоны (т.е. у потолкавалентной зоны) и их концентрация изменяется при смещении уровня Ферми.Кроме указанных двух линий, в спектрах ЭПР nc-Si:H n-типа наблюдается пик сg=1.996-1.998 [46,103,104,106,109,110]. По мнению авторов указанных работ, данныйсигнал обязан своим происхождением или состояниям в хвосте зоны проводимости ncSi:H или состояниям легирующей примеси. Сигнал с g=1.998 наблюдался также и приосвещения нелегированных пленок микрокристаллического кремния при низкойтемпературе (Т=15 К) [111].
Кроме того, в этих же работах, для nc-Si:H р-типа была53обнаружена “широкая” линия с g≈2.1. Пока не существует точного объясненияпроисхождения данной линии. Предполагается, что данный сигнал связан с дырками,захваченными на хвост валентной зоны [103].Дефекты в пленках nc-Si:H, полученных методом hot-wire CVD распределенынеоднородно по толщине пленки [112]. Концентрация дефектов, расположенных как награницах колонн нанокристаллов, так и в самих колоннах, возрастает по направлению отподложкикповерхностипленки.Таккакавторы[112]исследовалинанокристаллический гидрированный кремний, полученный только методом hot-wireCVD, то остается открытым вопрос о том имеет ли место такое же распределениедефектов по толщине пленки в образцах, полученных другими методами.Одним из основных вопросов при исследовании любой неупорядоченнойструктуры является вопрос о плотности электронных состояний. На основании данных,полученных из спектров ЭПР, авторы [103] предложили модель энергетическогораспределения плотности состояний в nc-Si:H.
Схематично данная модель представленана рисунке 1.24. Как видно из рисунка практически по всей запрещенной зоне nc-Si:H спостоянной плотностью распределены состояния, соответствующие оборванным связямкремния. Вблизи дна зоны проводимости (Ес) и потолка валентной зоны (Еv) имеютсяхвосты плотности состояний. Хвосты зон могут быть обусловлены тремя причинами: 1)наличием напряженных связей в аморфной фазе; 2) состояниями дефектов на границахколонн микрокристаллов или колонн микрокристаллов и аморфной фазы; 3) дефектамиили примесями в кристаллической фазе [111].Рис.1.24.
Распределение плотности состояний N(E) по энергии E в запрещенной зоне nc-Si:H [103].54В то же время в литературе отсутствуют исследования ЭПР спектров пленок ncSi/a-Si:H с малой долей кристаллической фазы, которые могут существенно отличатьсяот спектров аморфного и нанокристаллического кремния.
Поэтому в представляемойработе были исследованы пленки nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллической фазытолщиной 0.3 мкм, полученные методом плазмохимического осаждения из смеси газовводорода и моносилана на кварцевую подложку (Corning glass 1737) при температуре275 оС. Объемное отношение газов в реакционной камере составляло R = 5. При этомдавление в реакционной камере поддерживалось на уровне 4990 мТорр. Скоростьосаждения пленки была равна 11 Å/с.
Для определения роли нанокристаллов в пленкахnc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллической фазы полученные результаты сравнивалисьс результатами измерений, полученными для пленок a-Si:H. С этой целью методомплазмохимического осаждения из газовой фазы были также сформированы, а затемисследованы пленки a-Si:H. Параметры осаждения пленок a-Si:H были следующие:толщина – 0.5 мкм, R = 0, температура подложки – 175 оС, скорость осаждения – 0.7 Å/с.Исследования структуры пленок методом ПЭМ были выполнены на электронноммикроскопе марки Jeol JEM-2100F с ускоряющим напряжением 200 кВ. Рамановскиеспектры были измерены на базе микрорамановского спектрометра LabRam HR800«Horiba Jobin Yvon» при возбуждении образцов излучением с длиной волны 488 нм вгеометрии обратного рассеяния.
Измерения спектров ЭПР проводились на ЭПРспектрометрефирмыBrukerELEXSYS-500срабочейчастотой9.5ГГцичувствительностью 5·1010 спин/Гс. Для расчета концентрации парамагнитных центровиспользовался эталон CuCl2·(2H2O).На рис. 1.25 представлена полученная с помощью ПЭМ микрофотографияисследованных пленок nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллической фазы. Как видно изрисунка, структура пленки представляет собой матрицу аморфного кремния свнедренными в нее нанокристаллами кремния. Природа включений подтверждаетсяизображениями высокого разрешения и электронной дифракцией. На основе анализамикрофотографий, сделанных в разных местах пленки, было получено распределениекремниевых нанокристаллов по размерам (рис. 1.26).
Как следует из рис. 1.26, среднийдиаметр нанокристаллов в образце составляет dnc-Si = 4.2 ± 1.0 нм.55Рис. 1.25. Микрофотография ПЭМ исследованных образцов nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллическойфазы (верхний рисунок). На нижнем левом рисунке изображена микрофотография ПЭМ высокогоразрешения отдельного нанокристалла кремния. Внизу справа представлена электроннаядифрактограмма образца.Рис. 1.26.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
