Диссертация (1097807), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Увеличение объемной доликристаллической фазы в матрице a-Si:H до 50% приводит к возрастанию коэффициентапоглощения в области энергий кванта hν<1.2 эВ, что может быть связано собразованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрываслабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки в результате изменения структурыматериала. В пленках nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы(более 80 %) характер спектральной зависимости коэффициента поглощения близок каналогичной зависимости для c-Si и практически не зависит от уровня легирования.Оптическая ширина запрещенной зоны такой системы, полученная из анализаспектральной зависимости коэффициента поглощения в области hν>1.2 эВ, равна 1.12эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны c-Si.
Коэффициент поглощения в10области hν<1.2 эВ определяется состояниями дефектов, основная часть которыхнаходится на границах колонн нанокристаллов.2. В пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долей кристаллической фазы(примерно 10 %) наблюдается сигнал ЭПР, приписываемый электронам, захваченным вхвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальное изменение спектров ЭПР привведении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфную матрицу, позволяетиспользовать ЭПР-спектроскопию для детектирования малой доли нанокристаллов внаномодифицированном аморфном кремнии.3.
В случае пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы(более 80 %) носители заряда движутся по делокализованным состояниям колонннанокристаллов, преодолевая потенциальные барьеры на границах колонн. Энергияактивации темновой проводимости пленок nc-Si/a-Si:H определяется положениемуровня Ферми и высотой потенциальных барьеров на границах колонн нанокристаллов.С уменьшением объемной доли кристаллической фазы пропадает перколяционный путьиз кремниевых нанокристаллов, и перенос носителей заряда происходит по аморфнойфазе. При этом наблюдается резкое уменьшение проводимости. Значение объемнойдоликристаллическойфазывпленкахnc-Si/a-Si:H,прикоторойвозникаетперколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, сильно зависит от метода иусловий получения пленок.4.
Процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/aSi:H сильно зависят от температуры и объемной доли кристаллической фазы. В областинизких температур (T<210-230 К) для пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долейкристаллической фазы (более 80 %) имеет место туннельный механизм рекомбинациинеравновесных носителей заряда через состояния на границах нанокристаллов. Сувеличением температуры рекомбинация также происходит через состояния награницах колонн нанокристаллов, но при этом она не носит туннельного характера.Изменение фотопроводимости при варьировании доли кристаллической фазы вструктурах nc-Si/a-Si:H имеет немонотонный характер и определяется изменениемподвижности и времени жизни носителей заряда, однако при любой объемной долекристаллическойфазыосновнымирекомбинационнымицентрамивыступаютоборванные связи на границах нанокристаллов с аморфной фазой и порами.5.
Освещение слабо легированных пленок nc-Si/a-Si:H p-типа, обладающихбольшой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %), в атмосфере сухого11воздуха приводит к увеличению их проводимости и фотопроводимости, причемуменьшение давления остаточных газов в камере вызывает уменьшение наблюдаемыхэффектов, и при освещении пленки в вакууме P=10-3 Па указанные эффекты вообще ненаблюдаются.
Влияние окружающей среды может быть связано с адсорбцией кислородана границах нанокристаллов и внешней поверхности пленки nc-Si/a-Si:H.6. В области низких температур электронный транспорт в слоях nc-Si/SiO2осуществляетсяпутемпоследовательноготуннелированиямеждусоседнимикремниевыми нанокристаллами, а с повышением температуры начинает преобладатьперенос носителей заряда по локализованным состояниям в SiO2.
При малом числеслоев nc-Si и SiO2 в структурах Au – nc-Si/SiO2 – c-Si на границе подложки с-Si соксидной матрицей существует потенциальный барьер для электронов, которыйопределяет проводимость всей структуры.7. Анизотропия формы ансамблей кремниевых нанокристаллов в слояханизотропногопористогокремнияприводитканизотропиипроводимости.Проводимость слоев пористого кремния вдоль кристаллографического направления[ 1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чем вдолькристаллографическогонаправления[001].Энергияактивациитемпературнойзависимости проводимости для направления [ 1 1 0 ] меньше, чем для направления [001].Отношение значений проводимости вдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и[001] уменьшается с увеличением частоты приложенного переменного электрическогосигнала, однако, остаётся достаточно большим даже при частотах ~10 МГц.8.МеханизмрекомбинациинеравновесныхносителейзарядавПКснанокристаллами, обладающими анизотропией формы, носит туннельный характер(вплоть до комнатных температур), а основными рекомбинационными центрамиявляются состояния на границах нанокристаллов.
Фотопроводимость ансамблейкремниевых нанокристаллов в слоях пористого кремния вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чемвдоль кристаллографического направления [001].9. Изменение поверхностного покрытия нанокристаллов в ПК за счет адсорбцииактивных молекул, приводит к значительному изменению как концентрации носителейзаряда, так и их подвижности. Имеется возможность увеличения на несколько порядковзначений концентрации и подвижности свободных носителей заряда в ПК посредствомадсорбции активных молекул. Заметное изменение подвижности носителей заряда в ПК12при адсорбции может объясняться изменением высоты потенциального барьера награницах нанокристаллов.Практическая ценность работыДанные о проводимости, фотопроводимости и оптическом поглощении пленокnc-Si/a-Si:H, полученные в работе, можно использовать при создании различныхфотопреобразователей на основе аморфного и нанокристаллического кремния.Результаты по влиянию длительного освещения, термического отжига и облученияэлектронами пленок nc-Si/a-Si:H с большой долей кристаллической фазы могут бытьиспользованы для оценки стабильности, надежности и срока службы приборов наоснове нанокристаллического гидрированного кремния, в случае их использования подпрямым действием солнечных лучей, при повышенных температурах или вкосмическом пространстве.Полученныевработеданныеобизмененииструктуры,проводимости,фотопроводимости и оптического поглощения гидрогенизированного аморфногокремния в результате его облучения фемтосекундными лазерными импульсами можноиспользовать при создании различных тонкопленочных полупроводниковых приборовна основе аморфного и нанокристаллического кремния.Данные по проводимости структур nc-Si/SiO2 могут быть полезны при созданииоптоэлектронных приборов, в частности светодиодов, на основе внедренных вдиэлектрическую матрицу ансамблей кремниевых нанокристаллов.Полученные в работе зависимости электрических и фотоэлектрических свойствпористого кремния от формы кремниевых нанокристаллов и их локального окружениямогут быть полезны при создании газовых сенсоров на основе ПК, а также приразработке различных оптоэлектронных приборов на основе ансамблей связанныхкремниевых нанокристаллов.Достоверность полученных результатов определяется применением наборасовременных взаимодополняющих экспериментальных методик, согласием полученныхэкспериментальных данных на различных сериях образцов, а также сопоставлениемнекоторых данных экспериментов с результатами работ других авторов, выполненныхна схожих образцах.Апробация работыОсновные результаты, изложенные в диссертации, представлены в 40 докладах напрофильныхвсероссийскихимеждународныхконференциях,средикоторых13Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники»(Санкт-Петербург, Россия, 2000, 2002, 2006); Международная конференция “ElectronicMaterials and European Materials Research Society” (Страсбург, Франция, 2000);Российская конференции по материаловедению и физико-химическим основамтехнологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний-2000» (Москва,Россия, 2000); Международная конференция «Materials Science and Condensed MatterPhysics» (Кишинев, Молдавия, 2006, 2008, 2012); Международная школа NATOAdvanced Study Institute "Sensors for Environment, Health and Security: Advanced Materialsand Technologies", (Виши, Франция, 2007); Международная научно-практическаяконференция “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса,Украина, 2009); Международная конференция «Аморфные и нанокристаллическиеполупроводники» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); Российская конференции “Кремний2012” (Санкт-Петербург, Россия, 2012); Международная конференция “SPIE PhotonicsEurope 2012” (Брюссель, Бельгия, 2012); Международная конференция “SPIE PhotonicsWest”2013,США,(Сан-Франциско,Российская2013);конференция“Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечныхэлементов 3-го поколения” (Чебоксары, Россия, 2013); Международная конференцияи“Нанотехнологиибиомедицинскиеприложения”(Кишинев,Молдова,2013);Российская научная конференция, посвященную итогам реализации федеральнойцелевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениямразвития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2013 годы» (Москва,Россия, 2013) и др.По теме диссертации опубликовано 32 статьи в рецензируемых научных журналах,среди которых Thin Solid Films, Applied Physics Letter, Journal of Non-Crystalline Solids,Physica Status Solidi, Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики,Физика и техника полупроводников и др.Личный вклад автора Все изложенные в диссертации оригинальные результатыполучены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Постановказадачи,выборподходовкосуществлялись также автором.еерешениюианализполученныхрезультатов14Содержание диссертацииДиссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Бόльшая частьдиссертации посвящена оптическим и электрическим свойства пленок nc-Si/a-Si:H. Впервых трех главах подробно анализируются структура, оптические, электрические ифотоэлектрические свойства nc-Si/a-Si:H с различной объемной долей нанокристаллов.В первой главе представлены сведения о методах получения и структурныхпараметрах исследованных в работе образцов nc-Si/a-Si:H.
Большое внимание уделеноиспользованию спектроскопии рамановского рассеяния для определения объемной доликристаллической фазы и размера нанокристаллов в полученных в работе пленках ncSi/a-Si:H. Также обсуждается относительно новый способ модификации структуры aSi:H посредством фемтосекундного лазерного воздействия. Приводятся оригинальныеданные о влиянии интенсивности фемтосекундного лазерного воздействия наполучаемую в результате облучения структуру пленок a-Si:H. В конце первой главырассматривается возможность использования метода ЭПР для диагностики наличиямалой доли кремниевых нанокристаллов в матрице a-Si:H.Во второй главе представлены данные по оптическим свойствам пленок nc-Si/aSi:H,описанызависимостейиспользованныекоэффициентавработепоглощенияметодикииизмеренияфотолюминесцении,спектральныхприведеныэкспериментальные данные по влиянию объемной доли нанокристаллов на оптическоепоглощение и фотолюминесценцию пленок nc-Si/a-Si:H и разработаны модели,определяющие процессы оптической генерации и излучательной рекомбинациинеравновесных носителей заряда в исследованных образцах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
