Диссертация (1097807), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассмотрим подробнее каждую из систем и выделим тот кругнаучных проблем, которые необходимо решить для получения целостной картинымеханизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в системах,содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов.На примере структур nc-Si/a-Si:H можно изучить систему, в которой электронныепроцессы определяются как аморфной, так и кристаллической составляющимиматериала. В этом случае большое значение имеет соотношение между объемнымидолями кристаллической и аморфной фаз.
Однако детальных исследований по влияниюдоли кристаллической фазы на оптические и фотоэлектрические свойства структур ncSi/a-Si:H к моменту постановки настоящего исследования проведено не было. Крометого, в последнее время появились работы, в которых пленки nc-Si/a-Si:H получаются не«традиционным» методом плазмохимического осаждения из газовой фазы смесимоносилана и водорода, а путем лазерной кристаллизации a-Si:H. Как отмечается влитературе данный способ формирования удобен с точки зрения оптимизации процессасозданиятандемныхсолнечныхэлементовнаосновеаморфногоинаномодифицированного кремния.
В работах, опубликованных в последние годы ипосвященных влиянию фемтосекундного лазерного облучения a-Si:H на его свойства,исследовалось изменение структуры пленок при данном воздействии. Однако влитературе отсутствовали данные об изменении электрических, фотоэлектрических иоптических свойств пленок a-Si:H при изменении структуры пленок в результатевоздействия на них фемтосекундных лазерных импульсов. В то же время подобныеисследованияпредставляютинтерес,посколькууказаннымспособомможноформировать частично упорядоченные массивы кремниевых нанокристаллов в матрицеa-Si:H.Необходимо отметить, что структуры nc-Si/a-Si:H представляют значительныйинтерес и с прикладной точки зрения. В последнее время ведутся интенсивные работыпо разработке и созданию тонкопленочных электронных приборов, таких как полевыетранзисторы, солнечные элементы, фотоприемники и др.
При этом, в качестве6материала перспективного с точки зрения использования в тонкопленочных приборах,повышенное внимание исследователей вызывает именно nc-Si/a-Si:H. Интерес к этомуматериалу во многом продиктован тем, что в отличие от a-Si:H, получившего широкоераспространение в тонкопленочной оптоэлектронике, он менее подвержен изменениюсвоих свойств при освещении и обладает большей (по сравнению с a-Si:H)подвижностью носителей заряда. В связи с этим, использование структуры nc-Si/a-Si:Hвместо a-Si:H в тонкопленочных приборах может значительно улучшить иххарактеристики, в частности увеличить КПД солнечных батарей.Примеромансамблейизолированныхкремниевыхнанокристалловвнепроводящей матрице могут служить системы из кремниевых нанокристаллов,внедренных в матрицу диоксида кремния.
Интерес к таким системам связан собнаруженной сравнительно недавно их эффективной фотолюминесценцией, чтооткрывает широкие перспективы для создания на их основе светоизлучающих диодов илазеров. В связи с этим большинство имеющихся на данный момент работ посвященоисследованию фотолюминесцентных свойств систем nc-Si/SiO2. В то же время длясоздания светодиодов на основе таких структурнеобходимо детально изучитьмеханизмы переноса носителей заряда в них. Существующие на данный моментвремени методики получения структур nc-Si/SiO2 позволяют варьировать в широкихпределах размер кремниевых нанокристаллов и расстояние между ними в матрице SiO2.Это дает возможность исследовать проводимость таких структур и изучить влияниеструктурных особенностей на процессы электронного транспорта в них.На протяжении уже нескольких десятков лет внимание исследователейпривлекает пористый кремний, что связано с перспективами его использования воптоэлектронике, сенсорике и медицине.
Кроме того ПК может рассматриваться какудобный модельный объект для изучения оптических и фотоэлектрических свойствсистем, содержащих ансамбли связанных кремниевых нанокристаллов, поскольку ондовольно прост в получении и его структура легко варьируются в процессе роста.Недавно было обнаружено, что ПК, содержащий нанокристаллы с анизотропией формы(размерынанокристалловнаправлениям),такотличаютсяназываемыйпоразличныманизотропныйПК,кристаллографическимобладаетзаметнымдвулучепреломлением. Большинство работ, имеющих отношение к данному материалу,посвящено исследованию линейных и нелинейных оптических свойств анизотропногоПК.
Однако особенности переноса носителей заряда в анизотропном ПК не были7изучены. Также в литературе не обсуждались механизмы рекомбинации неравновесныхносителей заряда в таком материале. В то же время, изучение указанных вопросовявляется важным для понимания фундаментальных электрических и фотоэлектрическихсвойств в ансамблях связанных кремниевых нанокристаллов, обладающих анизотропиейформы.Механизм переноса электронов и дырок в ПК сильно зависит от поверхностногопокрытия нанокристаллов.
Одним из способов изменения поверхностного покрытиянанокристаллов является адсорбция активных молекул. Отметим, что исследованиевлияния адсорбции активных молекул на проводимость ПК является актуальным в связис перспективами использования последнего в газовых сенсорах. Большая удельнаяповерхность ПК обуславливает его высокую адсорбционную активность, вследствиечего окружающая среда оказывает заметное влияние на его оптические и электрическиесвойства. К настоящему времени подробно изучено влияние адсорбции различных газовна спектры поглощения инфракрасного излучения (ИК-поглощения) и определяемую изних концентрацию свободных носителей заряда. Однако исследованиям влиянияадсорбции активных молекул на электрические и фотоэлектрические свойства ПКвнимания практически не уделено.Таким образом, указанные выше системы, с точки зрения установленияфундаментальных особенностей электронных процессов в ансамблях кремниевыхнанокристаллов дают возможность исследовать оптические и электрические свойствакремниевых нанокристаллов в полупроводниковой и диэлектрической матрицах, атакже изучать влияние на эти свойства формы и поверхностного покрытиянанокристаллов.
С прикладной точки зрения данные системы перспективны дляиспользования в электронике, оптоэлектронике, солнечной энергетике и сенсорике. Всвязисэтим,исследованияструктурных,оптических,электрическихифотоэлектрических свойств указанных выше структур с одной стороны позволяютустановить особенности генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда вансамблях кремниевых нанокристаллов, а с другой стороны способствуют повышениюэффективности приборов, созданных на основе структур nc-Si/a-Si:H, nc-Si/SiO2 и ПК.Цель настоящей диссертационной работы – установление электронныхпроцессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойствасистем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов (как связанных, так иразделенных полупроводниковой или диэлектрической матрицой), и изучение влияния8на эти свойства структурных особенностей, таких как объемная доля нанокристаллов вматрице, поверхностное покрытие и анизотропия формы нанокристаллов.Научная новизнаВ результате проведенных в диссертационной работе исследований получен рядновыхданныхпоструктуре,оптическомупоглощению,проводимости,фотопроводимости и фотолюминесценции систем, содержащих ансамбли кремниевыхнанокристаллов:1.
Обнаружено изменение характера спектральной зависимости коэффициентапоглощения структур nc-Si/a-Si:H при увеличении объемной доли кристаллическойфазы. Показано, что при достижении доли кристаллической фазы ~50 % фотогенерацияносителей заряда происходит в основном в кремниевых нанокристаллах.2. Установлено, что проводимость структур nc-Si/a-Si:H увеличивается нанесколько порядков с ростом объемной доли кристаллической фазы, причем значениеобъемной доли кристаллической фазы в аморфной матрице, при которой начинаетсятакое увеличение, зависит от способа формирования кремниевых нанокристаллов.3.
Методом ЭПР спектроскопии в пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долейкристаллической фазы (примерно 10 %) обнаружен сигнал, приписываемый электронам,захваченным в хвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальное изменениеспектров ЭПР при введении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфнуюматрицу, позволяет использовать ЭПР-спектроскопию для экспресс-анализа наличиянанокристаллов в наномодифицированных образцах аморфного кремния.4. Обнаружено увеличение проводимости и фотопроводимости структур nc-Si/aSi:H p-типа, содержащих большую объемную долю кристаллической фазы (более 80 %),при их освещении в атмосфере сухого воздуха. Установлено, что уменьшение давленияостаточных газов в камере приводит к уменьшению наблюдаемых эффектов, и приосвещении образцов в вакууме (Р=10-3 Па) указанные эффекты пропадают.5.
Установлено, что облучение структур nc-Si/a-Si:H с большой объемной долейкристаллической фазы (более 80 %) быстрыми электронами с энергией 40 кэВ приводитк увеличению коэффициента поглощения в области hν<1.2 эВ и уменьшениюфотопроводимости. Показано, что созданные под действием облучения дефекты,являются основными центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда.6. Предложена модель генерации, переноса и рекомбинации неравновесныхносителей заряда в двухфазных структурах nc-Si/a-Si:H.97.Предложенымеханизмыпереносаносителейзарядаприразличныхтемпературах в многослойных системах Au – nc-Si/SiO2 – c-Si с различным числомслоев nc-Si и SiO2.8.
Обнаружена анизотропия проводимости и фотопроводимости в слоях ПК,обладающих латеральной анизотропией формы нанокристаллов. Показано, чтоанизотропия проводимости и фотопроводимости уменьшается с увеличением частотыприложенного переменного электрического сигнала, однако, остаётся достаточнобольшой даже при частотах ~10 МГц. Предложена модель переноса и рекомбинацииносителей заряда в слоях ПК, обладающего латеральной анизотропией формынанокристаллов.9. Представлена новая информация о влиянии адсорбции активных молекул (йодаи аммиака) на концентрацию и подвижность свободных носителей заряда в ПК.Установлено, что с помощью адсорбции указанных выше молекул можно существенно,нанесколькопорядков,увеличитьпроводимостьсвязанныхкремниевыхнанокристаллов.
Предложена модель, объясняющая резкий рост проводимости ПК врезультате адсорбции активных молекул.Основные положения, выносимые на защитуВ рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты,выносимые на защиту:1. Спектр поглощения пленок nc-Si/a-Si:H зависит от содержащейся в нихобъемной доли кристаллической фазы. При объемной доле кристаллической фазы менее~50 % процессы генерации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:Hопределяются главным образом аморфной матрицей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
