Диссертация (1097807), страница 21
Текст из файла (страница 21)
По этой частиможно рассчитать энергию активации Еа: энергия активации уменьшается сувеличением температуры осаждения пленок, что может быть связано с уменьшениемсодержания водорода в пленках, а значит, ширины щели подвижности a-Si:H. Принизких температурах, по мнению авторов [181], имеет место прыжковый механизмпереноса носителей заряда.В работе [181] также была определена длина диффузии носителей заряда в пленкахa-Si:H, подвергнутых ФЛО. Было получено, что LD увеличивается с ростом температурыосаждения пленок. Максимальное значение 5.82 мкм для кристаллизованной пленки,осажденной при 350 oС, более чем на порядок превышает аналогичный показатель дляпленок, осажденных при температуре 150 oС (0.48 мкм). Данный эффект может бытьсвязан с различной концентрацией водорода в исходных пленках.
Было такжеустановлено, что объемная доля нанокристаллов в пленках a-Si:H, облученныхлазерными импульсами, уменьшается с ростом температуры осаждения исходныхпленок a-Si:H. Однако при этом увеличивается темновая проводимость и длинадиффузии носителей заряда.Стоит отметить, что высокое значение темновой проводимости и подвижностиносителей заряда, является одним из наиболее важных параметров для тонкопленочныхтранзисторов [182]. Причем проводимость можно увеличить и за счет легированияпленок при их лазерной кристаллизации. В контексте применения лазернойкристаллизации a-Si:H для фотовольтаики нужно учитывать тот факт, что a-Si:Hприборного качества должен обладать темновой проводимостью менее 10-10 См/см ифотопроводимостью более 10-6 См/см [183].
То есть темновая проводимость должнабыть как можно ниже, а фотопроводимость – как можно выше. Это может бытьдостигнуто за счет либо пассивации водородом оборванных связей, образующихся на113границах нанокристаллов после облучения пленок a-Si:H, либо подбора таких условийоблучения пленок a-Si:H, при которых эффузия водорода была бы минимальной.Возможность создания солнечных элементов на основе нанокристаллическогокремния, полученного с помощью наносекундной лазерной кристаллизации a-Si:H,исследовалась в работе [184]. Структуры, представляющие собой пленки аморфногокарбида кремния р-типа и нелегированного a-Si:H, осаждались методом PECVD наоксид индия-олова (ITO) и облучались эксимерным лазером с длиной волны излучения248 нм и длительностью импульсов 25 нс. По спектрам рамановского рассеяния светабыла рассчитана доля кристаллической фазы в образцах.
Установлено, что сувеличением плотности энергии в лазерном импульсе растет доля кристаллическойфазы. При этом отмечается, что формирование нанокристаллов Si начинается уже прималой плотности энергии 40 мДж/см2. В этом случае объемная доля нанокристаллов вобразце составляет 4%. Наибольшая доля нанокристаллов достигается в образце,облученном с максимальной плотностью энергии импульса 160 мДж/см2, и составляет37%.Эффективность преобразования световой энергии в электрическую у структуры,облученной с плотностью энергии импульсов 40 мДж/см2, почти вдвое меньшеэффективности исходной структуры (не облученной) [184].
Главной причинойуменьшения эффективности преобразования энергии является уменьшение факторазаполнения. Причем дальнейшее увеличение плотности энергии лазерных импульсовтолько уменьшает фактор заполнения, а, соответственно, и эффективность солнечныхпанелей. Напряжение холостого хода структур на основе a-Si:H зависит от рядафакторов. Один из этих факторов – концентрация состояний дефектов в собственномпоглощающем слое [185].
Другой, более значительный фактор – гетерогенностьперехода между р-слоем и собственным слоем полупроводника [186, 187], и какследствие величина барьера Шоттки на границе р-тип/собственный полупроводник. Принаибольших плотностях энергии облучения напряжение холостого хода минимальное.Это подтверждает предположение о том, что напряжение холостого хода определяетсяэффектаминаграницер-тип/собственныйполупроводник,величинакоторыхуменьшается вследствие лазерной кристаллизации.
Предполагается, что из-за нагревапри облучении уменьшается гетерогенность на границе слоев, что и приводит куменьшению напряжения холостого хода [188]. Ток короткого замыкания также114уменьшается. Резкое уменьшение этого показателя объясняется тремя явлениями –увеличением рекомбинации на границе образующихся нанокристаллов, увеличениемповерхностной рекомбинации, появлением потенциального барьера на границенанокристаллов в толще пленок [189, 190].
Таким образом, было показано, чтонаносекундная лазерная кристаллизация a-Si:H снижает эффективность солнечныхэлементов на его основе, вследствие тепловых воздействий, а также возможногонеравномерного распределения нанокристаллов по толщине обрабатываемого слоя.Как уже отмечалось, в последние годы появились работы, в которых дляфотоиндуцированных структурных изменений в аморфном кремнии используетсямощное лазерное излучение с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне.Однако данные исследований, посвященных электрическим свойствам пленок a-Si:H,модифицированных ФЛО, в литературе отсутствуют. Поэтому в данной работе былопроведено детальное исследование электрических свойств пленок nc-Si/a-Si:H.Для проведения электрических и фотоэлектрических (о них речь пойдет чуть ниже)измерений на поверхность пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО, были нанесены контактыиз алюминия так, чтобы направление сканирования лазерным пучком было параллельноконтактами.
На рис. 3.11 изображено положение контактов относительно направлениясканирования в образцах. Расстояние между контактами и длина контактов составляли0.5 мм и 4 мм соответственно.Рис 3.11. Направление сканирования лазерным пучком для исследованных образцов a-Si:H,подвергнутых ФЛО.Температурные зависимости темновой проводимости пленок a-Si:H, подвергнутыхФЛО с различными плотностями энергии, показаны на рисунке 3.12. Как видно изрисунка, все представленные зависимости в области температур Т = 333 – 460 К (1000/Т= 2.2 – 3.0 К-1) имеют активационный характер. Отметим, что отсутствие единой115активационной зависимости проводимости во всей области исследованных температурдля образцов 3 и 4 может быть связано со сменой механизма проводимости для этихобразцов с проводимости по делокализованным состояниям на проводимость похвостам плотности состояний при понижении температуры.Представленные на рисунке 3.12 зависимости можно разделить на две группы позначению проводимости (кривые 1, 2, 3 с низким значением σd и кривые 4, 5, 6 свысокой σd).
Для лучшего понимания природы различий между этими группамидополнительнобылоизготовленодваобразца.Облучениеданныхобразцовпроизводилось приблизительно при тех же условиях что и другие, но при этом шагсканирования составлял 25 мкм, а диаметр лазерного пучка остался прежним – 15 мкм,то есть облучение производилось без перекрытия лазерных импульсов. Направлениесканирования лазерного луча при этом было либо параллельно (образец А), либоперпендикулярно (образец B) контактам (рис. 3.13) Так как плотность энергии лазерныхимпульсов для двух данных образцов была одинаковая, доля кристаллической фазы вних тоже практически одинаковая. Когда используется конфигурация лазерногооблучения параллельная контактам, носителям заряда, чтобы достичь контакта и темсамым дать вклад в проводимость, необходимо пройти через набор аморфных икристаллизованных частей пленки.
Эквивалентную схему данной конфигурации можнопредставитьввиденаборапоследовательносоединенныхсопротивлений:сопротивлений аморфного кремния и сопротивлений нанокристаллического кремния. Вданном случае проводимость в основном будет определяться бóльшим сопротивлением,т.е. сопротивлением аморфной части пленки. Напротив, при сканировании лазером понаправлению перпендикулярному контактам, эквивалентную схему образца можнопредставить ввиденаборапараллельносоединенныхсопротивлений.Общеесопротивление теперь будет определяться областью меньшего сопротивления, т.е.перенос носителей заряда будет осуществляться по кристаллизованной части пленки.116Рис. 3.12.
Температурная зависимость темновой проводимости пленок a-Si:H, модифицированныхфемтосекундным лазерным излучением. Указанные номера соответствуют образцам, облученным сразличной плотностью энергии: 0 мДж/см2 (1), 40 мДж/см2 (2), 65 мДж/см2 (3), 90 мДж/см2 (4), 110мДж/см2 (5), 135 мДж/см2 (6), 240 мДж/см2 в параллельной (A) и перпендикулярной (B) конфигурациисканирования.Рис 3.13. Направление сканирования для образца A (слева) и образца B (справа).Как видно из рис. 3.12 кривая А (температурная зависимость проводимостиобразца А) попадает в группу с низкой проводимостью, а кривая B (температурнаязависимость проводимости образца В) – в группу с высокой проводимостью.
В связи сэтим можно заключить, что в образцах под номерами 1 – 3 перенос носителейосуществляется по аморфной части пленки, а в образцах под номерами 4 – 6 – покремниевым нанокристаллам.Температурные зависимости темновой проводимости были аппроксимированысогласно формуле (3.1). Полученная из данных аппроксимаций зависимость значений117энергии активации исследованных образцов nc-Si/a-Si:H, полученных методом ФЛО aSi:H, от плотности энергии лазерных импульсов представлена на рис. 3.14.
Как следуетиз рисунка 3.14, при достижении плотности энергии лазерных импульсов 90 мДж/см2происходит резкий спад энергии активации. Данный спад, по-видимому, связан сосменой пути переноса носителей заряда с аморфной части пленки на их перенос покристаллической части. Действительно, известно, что ширина щели подвижности a-Si:HРис. 3.14. Зависимость энергии активации пленок a-Si:H, модифицированных фемтосекунднымлазерным излучением, от плотности энергии лазерных импульсов.составляет 1.7 – 1.8 эВ, а энергетический барьер для электронов на гетерогранице ncSi/a-Si:H составляет 0.2 – 0.3 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
