Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением (1104686)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиЕмельянов Андрей ВячеславовичСТРУКТУРНЫЕ, ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕСВОЙСТВА АМОРФНОГО КРЕМНИЯ,МОДИФИЦИРОВАННОГО ФЕМТОСЕКУНДНЫМЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ01.04.10 – Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П.К.

КашкаровОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Н.Г. Чеченинкандидат физико-математических наукведущий научный сотрудник И.А. БелогороховВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки институт общей физикиим. А.М. Прохорова Российской академии наукЗащита состоится «___» декабря 2013 года в ___ часов на заседании Диссертационногосовета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносовапо адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 35, конференц-зал Центраколлективного пользования физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имениМ.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27).Автореферат разослан «___»2013 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Нанокристаллический кремний (nc-Si:H), представляющий собойдвухфазный материал – матрицу аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) свключениями кристаллического кремния нанометрового размера (nc-Si), является одним изнаиболее перспективных материалов для использования в тонкопленочной солнечнойэнергетике и электронике.

Интерес к этому материалу во многом продиктован тем, что вотличиеотa-Si:H,получившегоширокоераспространениевтонкопленочнойоптоэлектронике, он менее подвержен изменению своих свойств при освещении и обладаетбольшей (по сравнению с a-Si:H) подвижностью носителей заряда. В связи с этим,использование структуры nc-Si/a-Si:H вместо a-Si:H в тонкопленочных приборах можетзначительно улучшить их характеристики, в частности увеличить КПД солнечныхэлементов.Наибольшее распространение среди путей получения nc-Si:H на данный моментполучил метод плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси моносилана иводорода.

Однако в последнее время рассматриваются возможности формированиянанокристаллического кремния путем лазерной кристаллизации пленок a-Si:H. Основнымипреимуществами данного способа получения nc-Si:H являются «локальность» лазерноговоздействия и возможность получать структуры на гибких (легкоплавких) подложках из-заотсутствия значительного разогрева последних.Для эффективного использования в оптоэлектронных приборах пленок nc-Si:H,полученных методом лазерной кристаллизации a-Si:H, необходимо детально исследовать ихструктурные, оптические, электрические и фотоэлектрические свойства, а также изучитьзависимость этих свойств от параметров лазерного воздействия.

К настоящему моментуосновное внимание исследователей было уделено свойствам nc-Si:H, полученного путемвоздействия на a-Si:H излученияультрафиолетовых (УФ) эксимерных лазеров сдлительностью импульсов в наносекундном диапазоне. Использование таких импульсовприводит к поверхностному плавлению пленки a-Si:H и, как следствие, неоднородномураспределению образующихся нанокристаллов по толщине пленки. В то же времяприменение инфракрасных (ИК) фемтосекундных лазерных импульсов с длинами волн вобластипрозрачностиматериалаобуславливаеткардинальноеотличиепроцессовпоглощения излучения и механизмов изменения структуры материала по сравнению срежимами облучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов.

В этом случаеможно осуществлять объемную наномодификацию a-Si:H за счет больших значенийплотности энергии в лазерных импульсах и, как следствие, нелинейного поглощения. При3этом изменение структуры пленки a-Si:H действительно оказывается однородным потолщине. Однако в литературе практически отсутствуют данные об особенностяхэлектронных процессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрическиесвойства пленок a-Si:H, подвергнутых фемтосекундному лазерному облучению (ФЛО).

Этоопределяет научную новизну исследований, выполненных в рамках данной диссертационнойработы и направленных на установление корреляции изменения структуры и электронныхпроцессов в пленках аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутых ФЛО.Цель настоящей диссертационной работы – изучение электронных процессов,определяющихоптические,электрическиеифотоэлектрическиесвойствапленокгидрогенизированного аморфного кремния, подвергнутых фемтосекундной лазернойкристаллизации.Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраныпленкигидрогенизированногоаморфногокремния,облученныефемтосекундными2лазерными импульсами с плотностью энергии от 40 мДж/см до 500 мДж/см2.

Экспериментыпроводились с использованием следующих методов: оптической микроскопии; растровой электронной микроскопии; атомной силовой микроскопии; спектроскопии комбинационного рассеяния света; рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии; электрофизических и фотоэлектрических методов; фотолюминесцентной спектроскопии.Достоверностьполученныхрезультатовопределяетсяприменениемнаборасовременных взаимно-дополняющих экспериментальных методик, согласием полученныхэкспериментальных данных на различных образцах, а также сопоставлением некоторыхданных экспериментов с результатами работ других авторов, выполненных на схожихобразцах.Научная новизна.

В результате проведенных в диссертационной работе исследованийполучен ряд новых результатов по проводимости, фотопроводимости, оптическомупоглощению и фотолюминесценции пленок аморфного кремния, модифицированного ФЛО:1. Обнаружено, что процесс кристаллизации пленок гидрогенизированного аморфногокремния фемтосекундными лазерными импульсами сопровождается эффузиейводорода из пленок. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопиипоказано, что облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами с4плотностью энергии W0 более 260 мДж/см2 на воздухе приводит к их однородномупо объему окислению.2. Установлено, что ФЛО тонких пленок гидрогенизированного аморфного кремния сW0 ≥ 90 мДж/см2 приводит к изменению пути переноса носителей заряда в них засчет образования перколяционных цепочек из нанокристаллов кремния.

Порогперколяции в такой системе наблюдается при объемной доле кристаллической фазы7 %.3. Обнаружено, что в результате ФЛО фотопроводимость гидрогенизированногоаморфного кремния немонотонно зависит от объемной доли кристаллической фазы.Такая зависимость может быть связана с увеличением концентрации дефектов впроцессе образования нанокристаллов, а также с появлением возможности переносафотогенерированных носителей заряда по пути, состоящему из кремниевыхнанокристаллов.4. Выявлено, что ФЛО пленок a-Si:H с W0 ≤ 135 мДж/см2 не приводит к изменениюхарактера спектральной зависимости коэффициента поглощения, полученнойметодомпостоянногофототока.Однаконаблюдаетсяросткоэффициентапоглощения в области энергий квантов hν < 1.4 эВ, который может быть связан 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 пленокаморфного кремния, облученных фемтосекундными лазерными импульсами навоздухе.

Интенсивность люминесценции возрастает с увеличением плотностиэнергии лазерных импульсов, использованных при облучении пленок. Источникамиобнаруженной фотолюминесценции являются дефектные состояния, образующиесяна границе раздела между кремниевыми нанокристаллами и матрицей SiO2.Основные положения, выносимые на защиту.

В рамках проведенных исследованийполучены следующие основные результаты, выносимые на защиту:1. При объемной доле кристаллической фазы в облученных фемтосекунднымилазерными импульсами пленках a-Si:H порядка 7 % их проводимость возрастает нанесколько порядков. Рост проводимости объясняется образованием в пленке приуказанной доле кристаллической фазы перколяционного пути, состоящего изкремниевых нанокристаллов, в связи с чем, перенос носителей заряда по аморфнойматрице сменяется их переносом по кремниевым нанокристаллам.2.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации