Диссертация (1097807), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Данный эффект заключается в увеличении концентрацииоборванных связей в щели подвижности a-Si:H при длительном освещении пленокмежзонным светом и приводит к фотоиндуцированной деградации фотоэлектрическихсвойств материала. Анализ спектральных зависимостей коэффициента поглощенияпленок a-Si:H позволяет качественно оценить величину эффекта Стеблера-Вронского вматериале. При длительном освещении материала межзонным светом «дефектное»плечо поглощения возрастает.
Для аморфного кремния рост «дефектного» поглощенияможет составлять от одного до нескольких порядков [135]. На рисунке 2.10представлена спектральная зависимость коэффициента поглощения пленки a-Si:H,облученной при плотности энергии лазерных импульсов 40 мДж/см2, после отжига притемпературе 170 оС в вакууме (остаточное давление не более 10-3 Па) и после освещениябелым светом лампы накаливания с большой интенсивностью (40 мВт/см2) в течение 2часов. Как видно из рисунка, освещение пленки a-Si:H белым светом не приводит кувеличению поглощения в области энергий квантов менее 1.4 эВ («дефектное»поглощение), то есть увеличению концентрации дефектов типа оборванных связей. Этоозначает, что фемтосекундное лазерное облучение пленок аморфного кремния делает ихстабильными к эффекту Стеблера-Вронского.
Данный эффект может быть связан с тем,что при фемтосекундном лазерном облучении пленок a-Si:H начинается эффузияводорода из них (рис. 1.19), что приводит к увеличению концентрации оборванныхсвязей в пленке. Таким образом, лазерным облучением уже создается некотораядополнительная концентрация дефектов, которая при последующем освещении белымсветом не возрастает (рис. 2.10).80Рис. 2.10. Спектральная зависимость коэффициента поглощения пленки a-Si:H, облученнойфемтосекундными лазерными импульсами с плотностью энергии 40 мДж/см2, до (полные круги) и после(пустые круги) освещения белым светом в течение 2 часов.2.5. Методика измерений фотолюминесцентных свойств пленокnc-Si/a-Si:HДля исследования спектров фотолюминесценции (ФЛ) образцов использоваласьэкспериментальная установка, представленная на рис. 2.11.
При измерении спектров ФЛобразец возбуждался излучением Ar-лазера (ħω = 3.7 эВ, мощность 60 мВт). С помощьюсобирающей линзы лазерное излучение фокусировалась на образец в пятно диаметром1÷2 мм. Для подавления высших гармоник в возбуждающем излучении, рассеянного наобразце света, а также для изменения уровня возбуждения использовался комплектсветофильтров. Система объективов переносила люминесцирующую точку образца навходнующельспектрографаавтоматизированногосSOLARпомощьюTIIиперсональногомонохроматоракомпьютера.МДРСигнал–ФЛ12,смонохроматора МДР – 12 регистрировался ФЭУ и оцифровывался с помощьюосциллографа Tektronix. Измеренные спектры корректировались на спектральныйотклик системы. Эксперименты проводились на воздухе при температуре 300 К, а также в вакуумной ячейке гелиевого криостата замкнутого цикла «Advanced ResearchSystems» в диапазоне температур от 17 К до 300 К.81Рис.
2.11. Блок-схема экспериментальной установки по измерению спектров фотолюминесценциипленок nc-Si/a-Si:H.2.6. Фотолюминесценцияфемтосекунднойпленоклазернойnc-Si/a-Si:H,кристаллизациейполученныхаморфногокремнияСпектры фотолюминесценции, измеренные при комнатной температуре, пленок ncSi/a-Si:H, полученных путем ФЛО пленок a-Si:H с плотностями энергии лазерныхимпульсов более 250 мДж/см2, представлены на рис. 2.12.
Из рисунка видно, что длятаких образцов наблюдается фотолюминесценция с максимумом вблизи 1.84 эВ (675нм), а ее интенсивность возрастает с увеличением плотности энергии лазерныхимпульсов. В то же время для пленок nc-Si/a-Si:H полученных путем ФЛО пленок a-Si:Hс плотностями энергии лазерных импульсов менее 250 мДж/см2, фотолюминесценцияпри комнатной температуре не наблюдалась.В главе 1 отмечалось, что результаты исследований поверхностей пленок a-Si:H,подвергнутых фемтосекундной лазерной кристаллизации, показали наличие двухразличных типов их модификации с пороговым значением плотности энергии лазерныхимпульсов порядка 250 мДж/см2.
С помощью РЭМ и АСМ (рис. 1.13, 1.14) былопродемонстрировано существенное изменение морфологии поверхности пленок a-Si:H,облученных при плотностях энергии лазерных импульсов более указанного пороговогозначения. Кроме того, в главе 1 из анализа спектров РФЭС был сделан вывод о том, что82более 90 % атомов кремния окисляются при облучении пленки a-Si:H с плотностямиэнергии более 250 мДж/см2. Дополнительное ионное травление облученных пленок aSi:H показало, что процентный состав SiO2 не изменяется по крайней мере до глубины в50 нм (рис. 1.22).Рис. 2.12. Спектры фотолюминесценции пленок аморфного кремния, облученных фемтосекунднымилазерными импульсами на воздухе с плотностями энергии 260, 360 и 460 мДж/см2.Вработах[136,137]былиисследованыфотолюминесцентныесвойствамонокристаллического кремния, подвергнутого фемтосекундному лазерному облучениюна воздухе. В указанных работах было установлено, что лазерное излучение плавиткристаллический кремний.
При этом процесс диффузии кислорода вглубь образцаускоряется благодаря тому, что коэффициент диффузии кислорода в жидкой фазекремния на 6 порядков выше, чем в кристаллической [138]. К тому же при образованиисубмикронных шероховатостей существенно возрастает площадь поверхности. Авторыработы [136] обнаружили фотолюминесценцию от облученных фемтосекунднымилазерными импульсами кремниевых подложек с максимумом на длинах волн от 540 нмдо 630 нм. После отжига образцов при температуре 1000 оС в вакууме ими былазарегистрирована люминесценция с максимумом на больших длинах волн. В то времякак в работе [137] наблюдалось две люминесцентные области с максимумами вблизи600 и 680 нм без отжига образцов.
Такое различие может быть связано с тем, что вуказанных работах при обработке образцов использовались различные частоты83повторения лазерных импульсов. Использование большей частоты повторенияимпульсов может привести к частичному отжигу образца в процессе облучения пленок.В обеих работах высоко- (зеленая и оранжевая) и низкоэнергетическая (красная) областьфотолюминесценции была приписана, соответственно, к фотолюминесценции отдефектов на границе раздела между нанокристаллами кремния и диоксидной матрицей икфотолюминесценциивследствиерекомбинацииэкситоноввкремниевыхнанокластерах и нанокристаллах кремния (квантовый размерный эффект). Стоитотметить, что вывод о люминесценции вследствие квантового размерного эффекта отобразцовкристаллическогокремния,облученныхфемтосекунднымилазернымиимпульсами, в работе [136] был сделан на основе красного смещения пикалюминесценции после термического отжига образцов.
По предположению авторовработы [136] при лазерной обработке подложек кристаллического кремния образуетсяматрица субоксида кремния SiOx (1<x<2). При термическом отжиге исходная пленкаSiOx трансформируется в матрицу SiOy (y>x) с внедренными в нее нанокластерами Si[139]. Причем начиная с определенных температур отжига, параметр y достигаетзначения 2, т.е. процесс разделения фаз завершается формированием кремниевыхнанокристаллов в матрице SiO2, которые при увеличении температуры отжигаувеличиваются в размерах и слипаются (так называемый процесс коалесценции илипроцесс созревания по Оствальду) [140]. Рост размеров нанокристаллов кремнияприводит к красному смещению максимума фотолюминесценции.
По данным работ[141] размеры нанокристаллов кремния, находящихся в матрице диоксида кремния,можно оценить по положению максимума фотолюминесценции (при условиилюминесценции вследствие квантового размерного эффекта) по формуле^ = ^0 +_.`_a.bc*?@ABC,(2.3)где E0 = 1.2 эВ – разность энергий Х-точки зоны проводимости и Г-точки валентнойзоны, dnc-Si – размер нанокристалла кремния в нм.Из формулы (2.3) следует, что при положении максимума ФЛ вблизи длин волн675–700 нм размеры нанокристаллов кремния в матрице диоксида кремния должнысоставлять 3–4 нм. Согласно работе [142], размер нанокристаллов должен быть ещеменьше.В отличие от работ [136, 137], в которых были использованы подложки измонокристаллического кремния, мы могли получить дополнительную информацию о84структуре облученных пленок с видимой люминесценцией методом спектроскопиирамановского рассеяния света.
Спектры рамановского рассеяния света для образцаисходного a-Si:H и облученного с плотностью энергии лазерных импульсов 260мДж/см2 представлены на рисунке 2.13. На спектре рамановского рассеяния света отнеоблученной пленки a-Si:H присутствует ярко выраженный максимум вблизи 480 см-1,соответствующий ТО фононной моде в аморфном кремнии. Рамановский спектр отоблученной пленки можно разбить на две составляющие: «кристаллический» максимумвблизи 519.5 см-1, сдвинутый на 1 см-1 относительно максимума монокристаллическогокремния (520.5 см-1), и «широкий» максимум на меньших частотах, соответствующийфононным колебаниям в структуре матрицы SiO2.Как отмечалось в первой главе, сдвиг положения «кристаллического» максимума вобласть меньших частот может быть описан моделью квантового конфайнмента.
Поформуле (1.4) была произведена оценка средних размеров нанокристаллов кремния впленках, обладающих видимой фотолюминесценцией. Результаты оценок показали, чтосредний размер нанокристаллов, образующихся в пленках, облученных при плотностяхэнергии лазерных импульсов более 250 мДж/см2, равен приблизительно 8 нм. Поданным работы [141], фотолюминесценция от нанокристаллов кремния таких размеровдолжна иметь положение максимума вблизи 900 нм, а квантовый выход люминесценциисоставит при этом менее 1 %. Для наших пленок аморфного кремния, облученных приплотностях энергии фемтосекундных лазерных импульсов более 250 мДж/см2,положение максимума фотолюминесценции находится вблизи 1.84 эВ (675 нм) иостается практически неизменным при увеличении плотности энергии (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
