Диссертация (1097807), страница 16
Текст из файла (страница 16)
2.12).Поэтому обнаруженная фотолюминесценция облученных пленок a-Si:H не может бытьобусловлена квантовым размерным эффектом. В связи с этим можно предположить, чтообнаруженная люминесценция связана с дефектными состояниями, которые, повидимому, в основном образуются на границе раздела между нанокристаллами кремнияи матрицей SiO2.85Рис. 2.13. Спектры рамановского рассеяния света необлученной (нижняя кривая) и облученной приплотности энергии лазерных импульсов 260 мДж/см2 (верхняя кривая) пленок a-Si:H.Нанокристаллы кремния в исследуемых нами пленках, в отличие от исследованныхв работах [136, 137], имеют больший размер.
Данное различие может быть связано сбольшими температурами нагрева пленок аморфного кремния на подложках изкварцевого стекла при их лазерном облучении. Так как теплопроводность кварцевогостекла меньше теплопроводности кремния, пленки a-Si:H охлаждались медленнее, чемподложки из монокристаллического кремния.Обнаруженная фотолюминесценция указывает на возможность использовать слоиаморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутые облучению фемтосекунднымилазернымиимпульсамисбольшойплотностьюэнергии,дляпереизлученияультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый солнечнымэлементом на основе a-Si:H видимый свет.2.7. Фотолюминесценция пленок nc-Si/a-Si:H, полученных методомPECVDФотолюминесцентные свойства образцов, полученных методом PECVD приразличных значениях разбавления моносилана водородом (обозначения образцов даны втаблице 1,2), были исследованы в широком интервале температур.
Фотолюминесценцияпленок гидрогенизированного аморфного кремния достаточно хорошо изучена.86Установлено, что при температурах ниже 200 К в спектре фотолюминесценции a-Si:Hнаблюдаетсядвахарактерныхмаксимума:вблизиэВ,1.3соответствующийрекомбинации «хвост-хвост» в a-S:H [143], и вблизи 0.9 эВ, характеризующийдефектную полосу люминесценции [144]. Установлено при этом, что интенсивностьмаксимума вблизи 1.3 эВ зависит от температуры по законуконстанта,характеризующаяотношениеd ∝вероятностей//- fgT>, где А –hDh5излучательнойибезызлучательной рекомбинации носителей заряда, Т0 = 23 К [145,146].
Как видно изприведеннойформулы,интенсивностьфотолюминесценцииспадаетсростомтемпературы, поэтому исследования фотолюминесцентных свойств пленок nc-Si/a-Si:Hпроводились в интервале температур ниже комнатной (от 17 до 200 К).На рис. 2.14 представлены спектры фотолюминесценции образцов nc-Si/a-Si:H притемпературе 17 К. Как видно из рисунка, спектр для пленки a-Si:H (R = 0) имеетхарактерный максимум вблизи 1.3 эВ, который, как отмечалось выше, характеризуетрекомбинацию носителей заряда из хвостов зон в аморфном кремнии. Согласно работе[147] кривую люминесценции аморфного кремния нельзя точно аппроксимировать нелинией гауссовой формы, не линией лоренцевой формы.
Однако лучшая аппроксимациядостигается при аппроксимации линией гауссовой формы. Поэтому для аппроксимацииспектровлюминесценциииспользовалисьлиниигауссовойформы.Спектрлюминесценции образца с R=5 (рис. 2.14) можно разделить на две ярко выраженныечасти: максимум вблизи 1.3 эВ, называемый «аморфным» (характеризует ФЛ матрицыаморфного кремния), и максимум вблизи 1.5 эВ, природа которого может быть связана споявлением нанокристаллов кремния.
Из рисунка видно, что при переходе от образца сR=0 к образцу с R=5 изменяется полуширина на полувысоте максимума вблизи 1.3 эВ, аименно она уменьшается с 104 до 61 мэВ. Увеличение доли кристаллической фазы впленке (образцы с R=8 и 11) приводит к смещению «аморфного» максимума в областьбольших энергий. При этом максимум вблизи 1.5 эВ возрастает. Такое поведение«аморфного» максимума – сдвиг максимума в коротковолновую область и уменьшениеполуширины на полувысоте – объясняется большей упорядоченностью в расположенииатомов в материале и появлением «среднего» порядка [148].
Данный результатпредставляется достаточно очевидным – увеличивая долю нанокристаллов в пленкеаморфного кремния, мы тем самым вносим больший порядок в структуру материала.Стоит отметить, что фотолюминесценция образцов R15 и R16 оказалась едва87обнаружимой, и спектр имел вид, подобный спектру образца R0. Данный результатобъясняется повышением вероятности безызлучательной рекомбинации носителейзаряда вследствие появления перколяционных цепочек из нанокристаллов кремния[139].Как следует из рисунка 1.7 средний размер кремниевых нанокристаллов в образцахR5, R8 и R11 равен примерно 5-6 нм.
Воспользовавшись формулой 2.4, легко получить,что максимум фотолюминесценции для нанокристаллов такого размера долженнаблюдаться при энергиях вблизи 1.5 эВ, что хорошо согласуется с наблюдаемымипобочными максимумами для образцов R5, R8 и R11.Рис. 2.14. Нормированные спектры фотолюминесценции при температуре 17 К для образцов nc-Si/aSi:H, полученных методом PECVD при различных степенях разбавления R.Таким образом, можно заключить, что обнаруженная ФЛ наномодифицированногоаморфного кремния с максимумом вблизи 1.5 эВ соответствует излучательнойрекомбинации носителей заряда в нанокристаллах кремния. Данное утверждение такжеподтверждаетсяисследованиямитемпературныхзависимостейлюминесценциинаномодифицированного аморфного кремния.При исследовании температурной зависимости фотолюминесценции образца R11(рис.
2.15) была обнаружена следующая закономерность: при повышении температуры«аморфный» максимум сдвигается в область меньших энергий квантов, а максимумвблизи 1.5 эВ постепенно спадает, пропадая полностью при температурах больших 15088К. При температурах больших 150 К спектры люминесценции выглядят идентично,уменьшаясь по интенсивности.Рис. 2.15.
Нормированные спектры ФЛ образца R11 (таблица 1.2), полученные при различныхтемпературах: 17 К (черная кривая), 77 К (красная кривая), 150 К (синяя кривая).Согласно работе [149] “красное” смещение положения «аморфного» максимумапри повышении температуры вызвано уменьшением ширины щели по подвижностиаморфного кремния с повышением температуры. В работах [150, 151] отмечается, чтопри температурах менее 50 К диффузия носителей заряда сильно ограничена.
А приповышении температуры она возрастает, и носители заряда могут преодолеватьпотенциальные барьеры и термализоваться до более низкоэнергетичных состояний.Данный процесс приводит к смещению положения «аморфного» максимума в областьменьших энергий квантов при температурах больших 50 К. Поскольку подвижностьэлектроновбольшеподвижностидырок,электрон-дырочныепарыбудутдиффундировать в разных количествах. При температурах больших 150 К электрондырочные пары будут диссоциировать и захватываться на состояния дефектов. Поэтомупри дальнейшем повышении температуры сдвига «аморфного» максимума непроисходит.
Аналогично можно объяснить процесс спада (при температурах больших50 К) максимума люминесценции вблизи 1.5 эВ, связываемого с нанокристаллами.Исчезновение максимума люминесценции вблизи 1.5 эВ при температурах больших 150К, по-видимому, связано с повышением вероятности безызлучательной рекомбинации89вследствие недостаточной для данных температур высотой энергетических барьеров дляэлектронов и дырок на гетерогранице нанокристалл/аморфная матрица.Стоит заметить, что полученный результат может быть использован дляопределения небольшой доли нанокристаллов кремния в матрице аморфного кремния.Действительно, спектр люминесценции пленок nc-Si/a-Si:H можно разделить на двесоставляющие: люминесценция с максимумов вблизи 1.3 эВ, характеризующаяизлучательныецентры,находящиесявхвостахзонаморфногокремния,илюминесценция с максимумом вблизи 1.50 эВ, характеризующая электрон-дырочнуюрекомбинацию в нанокристаллах кремния. Причем последний максимум проявляетсядля систем с объемной долей кристаллической фазы не более 20 %.2.8.
Выводы по главе 21. Обнаружено, что в области hν>1.2 эВ характер спектральной зависимостикоэффициента поглощения nc-Si:H близок к спектральной зависимости коэффициентапоглощения c-Si. Оптическая ширина запрещенной зоны nc-Si:H, полученная из анализаспектральной зависимости коэффициента поглощения в области hν>1.2 эВ, равна 1.12эВ.
В области энергий кванта hν<1.2 эВ наблюдается “хвост” поглощения. Показано, чтокоэффициент поглощения nc-Si:H в области hν<1.2 эВ может определяться состояниямидефектов, основная часть которых находится на границах колонн нанокристаллов.Спектральная зависимость коэффициента поглощения nc-Si:H в области hν<1.2 эВпрактически не изменяется при смещении уровня Ферми в запрещенной зоне nc-Si:H.Это указывает на то, что в результате смещения уровня Ферми в nc-Si:H не происходитизменения концентрации дефектов, ответственных за поглощение в области “хвоста”.2. Установлено, что дополнительная фоновая подсветка с энергией кванта hν=1.8эВ увеличивает поглощение nc-Si:H в области “хвоста” поглощения.
Это может бытьсвязано с увеличением заполнения состояний дефектов на границах колонннанокристаллов и, соответственно, с их вкладом в поглощение nc-Si:H в условияхдополнительной фоновой подсветки.3. Для пленок nc-Si/a-Si:H, при доле кристаллической фазы менее ~50 % характеризмеренных спектральных зависимостей коэффициента поглощения соответствуетзависимостям α(hν), наблюдаемым для гидрогенизированного аморфного кремния. Этоуказывает на то, что процессы генерации неравновесных носителей заряда в таких90пленках определяются главным образом аморфной матрицей.
Увеличение объемнойдоли кристаллической фазы в матрице a-Si:H до 50 % приводит к возрастаниюкоэффициента поглощения в области энергий кванта hν<1.2 эВ, что может быть связанос образованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрываслабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки.4. Выявлено, что фемтосекундное лазерное облучение пленок a-Si:H приводит квозрастанию коэффициента поглощения в области hν<1,4 эВ, что может быть связано собразованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрываслабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки.5. Обнаружена видимая фотолюминесценция с максимумом вблизи 675 нм отпленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами с плотностьюэнергии большей 250 мДж/см2 на воздухе. Интенсивность люминесценции возрастает сувеличениемплотностиэнергиивлазерномфотолюминесценция, по-видимому, объясняетсяимпульсе.Обнаруженнаярекомбинацией неравновесныхносителей заряда через дефектные состояния, образующиеся на границе раздела междусозданными в результате лазерного облучения кремниевыми нанокристаллами иматрицей SiO2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
