Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением (1104686), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Фотопроводимость пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО, немонотонно зависит отобъемной доли кристаллической фазы. Такая зависимость может быть связана с5увеличением концентрации дефектов в процессе образования нанокристаллов, атакже с появлением возможности переноса фотогенерированных носителей зарядапо пути, состоящему из кремниевых нанокристаллов.3. Процессы оптической генерации неравновесных носителей заряда в пленкахаморфного кремния, облученных фемтосекундными лазерными импульсами исодержащими не более 30 % объемной доли нанокристаллов, определяютсяглавным образом аморфной матрицей.4. ФЛО пленок a-Si:H приводит к возрастанию коэффициента поглощения в областиэнергийквантовhν < 1,4эВ,чтоможетбытьсвязанособразованиемдополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрыва слабых Si-Siсвязей и эффузии водорода из пленки.5.
Облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами с W0 ≥ 260мДж/см2 на воздухе приводит к их однородному по толщине окислению. В такихпленках наблюдается видимая фотолюминесценция с максимумом вблизи 675 нм.Интенсивность люминесценции возрастает с увеличением плотности энергиилазерных импульсов, использованных при облучении пленок, и достигаетмаксимальногозначенияприW0 = 460 мДж/см2.Обнаруженнаяфотолюминесценция объясняется рекомбинацией неравновесных носителей зарядачерез дефектные состояния, образующиеся на границе раздела между кремниевыминанокристаллами и матрицей SiO2.Практическая ценность данной работы. Полученные в работе данные об измененииструктуры,проводимости,фотопроводимостииоптическогопоглощениягидрогенизированного аморфного кремния в результате его облучения фемтосекунднымилазерными импульсами можно использовать при создании различных тонкопленочныхполупроводниковых приборовна основе аморфного и нанокристаллического кремния.Результаты по обнаруженной видимой фотолюминесценции с максимумом вблизи 675 нм отпленок аморфного кремния, облученных фемтосекундными лазерными импульсами,указываютнавозможностьсозданияпереизлучающихслоев(люминесцентныхконцентраторов) для тонкопленочных солнечных элементов.Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на следующихконференциях: IX Курчатовская молодежная научная школа, Москва, Россия, 2011; SPIEPhotonics Europe 2012, Brussels, Belgium, 2012; Аморфные и микрокристаллическиеполупроводники VIII, Санкт-Петербург, Россия, 2012; Кремний-2012, Санкт-Петербург,Россия, 2012; Международная балтийская школа по физике твердого тела и магнетизму,Калининград, Россия, 2012; 6th International Conference on Materials Science and Condensed6Matter Physics, Chisinau, Moldova 2012; X Курчатовская молодежная научная школа, Москва2012; SPIE Photonics West 2013, San Francisco, USA 2013; Наноструктурированныематериалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения,Чебоксары, Россия 2013.Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликована 21 работа (8статей в рецензируемых научных журналах и 13 публикаций в сборниках тезисов докладов итрудов международных и российских конференций).Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований,проведенные автором в период 2011 – 2013 гг. на кафедре общей физики и молекулярнойэлектроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Личный вклад автора вдиссертационную работу заключается в проведении всех описанных в диссертационнойработе экспериментов, обработке и анализе полученных результатов.Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 113 страницахмашинописного текста, иллюстрирована 51 рисунком, содержит 1 таблицу. Списокцитируемой литературы содержит 103 ссылки. Работа состоит из введения, 4 глав,заключения, содержащего основные результаты и выводы, и списка литературы.В руководстве работой активное участие принимал доцент П.А.
Форш.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дано обоснование актуальности темы диссертации и её практическойзначимости, а также сформулированы цели работы, её научная новизна и приведеныположения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ,посвященных изучению структурных, оптических, электрических и фотоэлектрическихсвойств гидрогенизированного аморфного кремния, облученного лазерными импульсами. Вразделе 1.1 приведены литературные данные о структурных свойствах a-Si:H, подвергнутоголазерной кристаллизации.
В частности, проведен сравнительный анализ структурныхсвойств пленок a-Si:H, полученных методами наносекундного и фемтосекундного лазерногооблучения. Использование ИК фемтосекундных лазерных импульсов при облучении пленокa-Si:H приводит к их равномерной по толщине кристаллизации, что не выполняется приоблучении a-Si:H УФ наносекундными лазерными импульсами.
Также отмечено, чтооблучение пленок a-Si:H лазерными импульсами не только изменяет структуру материала, нои существенно влияет на структуру поверхности пленки, приводя к образованиюостроконечных шероховатостей субмикронного размера.7Вразделе1.2приведенобзорлитературныхданныхобэлектрическихифотоэлектрических свойствах гидрогенизированного аморфного кремния, подвергнутоголазерной кристаллизации. Рассмотрены работы, в которых сообщается о том, что темноваяпроводимость пленок a-Si:H, облученных УФ наносекундными лазерными импульсами,возрастает на 4 – 6 порядков величины. При этом в случае легированных пленок a-Si:Hнаблюдается ярко выраженный порог по плотности энергии лазерных импульсов, прикотором проводимость пленок резко возрастает.
Приведен обзор работ, посвященныхизучению температурных зависимостей фотопроводимости и темновой проводимостипленок a-Si:H, подвергнутых наносекундному лазерному облучению. Отмечается, чтолитературные данные по изменению электрических и фотоэлектрических свойств пленок aSi:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами, к моменту постановки работыотсутствовали.В разделе 1.3 литературного обзора приведены данные работ, посвященных изучениюоптических свойств гидрогенизированного аморфного кремния, подвергнутого лазернойкристаллизации. В частности, отмечено, что образование на поверхности пленок a-Si:H,подвергнутых ФЛО, шероховатостей приводит к уменьшению коэффициента отражения исоответственно к значительному (в 1.5 – 2 раза) увеличению коэффициента оптическогопоглощения в области энергий квантов света, меньших 1.7 эВ.
Данный эффект позволяетожидать увеличения эффективности солнечных элементов, в процессе формированиякоторых использовалась кристаллизация a-Si:H с помощью ФЛО.На основании результатов анализа приведенных данных делается вывод о том, чтоимеющиеся в литературе сведения недостаточны для создания модели, объясняющейоптические, электрические и фотоэлектрические свойства гидрогенизированного аморфногокремния, облученного фемтосекундными лазерными импульсами, а корреляция структурныхособенностей и электрических, фотоэлектрических и оптических свойств исследуемогообъекта исследована недостаточно полно.Во второй главе приведены данные об исследованных в работе образцах, описаныэкспериментальные методики, использованные в работе для изучения структурных,оптических, электрических и фотоэлектрических свойств пленок a-Si:H, модифицированныхФЛО.Вработеисследовалисьобразцыгидрогенизированногоаморфногокремния,модифицированные фемтосекундными лазерными импульсами.
Пленки a-Si:H толщиной 300нм и 500 нм были изготовлены методом плазмохимического осаждения из газовой фазы приразложении смеси моносилана (SiH4) и аргона (Ar) в плазме высокочастотного тлеющего8разряда со скоростью 2 Å/с при температуре кварцевой подложки 250 оС. Объемноесоотношение газов в реакционной камере составляло 25% SiH4 + 75% Ar.Облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами осуществляласьизлучением лазерной системы на основе кристалла Yb:KGW с частотой повторенияимпульсов 200 кГц, центральной длиной волны излучения 1030 нм и длительностьюимпульса 500 фс.
Фокусировка лазерного излучения на образец проводилась сиспользованием асферической стеклянной линзы с числовой апертурой 0.16. Фокальнаяплоскость была помещена на расстоянии 80 мкм над поверхностью образца. Диаметрлазерного пучка в сечении пленки равнялся 15 мкм. Нами использовался сканирующийметод обработки поверхности a-Si:H. Скорость сканирования составляла 5 мм/с.
Шагсканирования (расстояние между ”полосами“ сканирования) составлял 2 мкм. Таким образомперекрытие лазерного пучка при сканировании составляло 82 %. Плотность энергиилазерных импульсов изменялась от 40 до 500 мДж/см2. Распределение плотности энергиилазерного пятна по расстоянию от центра r имело форму кривой Гаусса 2r 2 W (r ) W0 exp 2 , r0 где W0 – максимум плотности энергии, r0 – радиус лазерного пятна. Номераисследованных образцов и использованные при их облучении параметры представлены втаблице 1.Таблица 1. Номер и толщина исследованных образцов и плотность энергиифемтосекундных лазерных импульсов, использованных для их облучения.Номер123456789103003003003003003005005005005000406590110135260360460500образцаТолщина,нмW0,мДж/см2Для проведения вспомогательных исследований было изготовлено два дополнительныхобразца a-Si:H (образец А и образец В).
Облучение данных образцов производилось сW0 = 240 мДж/см2 и шагом сканирования 25 мкм, причем диаметр лазерного пучка былнеизменным – 15 мкм, то есть облучение производилось без перекрытия «полос»сканирования.9Анализ поверхности пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО, проводился с помощьюметодов оптической микроскопии (оптический микроскоп Olympus BX41), растровойэлектронной микроскопии (микроскоп Supra 50 VP LEO с системой микроанализа INCAEnergy+ Oxford) и атомной силовой микроскопии (микроскоп Veeco MultiMode 4 AFM).Информация о структуре пленок получалась из анализа спектров комбинационногорассеяния света (КРС), измеренных с помощью Horiba Jobin Yvon HR800 микро-Раманспектрометра при возбуждении образцов излучением с длиной волны 488 нм в геометрииобратного рассеяния. Температура ПЗС-камеры составляла минус 70 оС.Химический состав пленок был изучен методом рентгеновской фотоэлектроннойспектроскопии (РФЭС) на базе спектрометра PHI 5500 ESCA (Physical Electronics).Фотоэлектронная эмиссия возбуждалась Kα линией Mg (hν = 1253.6 eV) мощностью 330 Вт.Диаметр анализируемой области составлял от 0.6 до 1.1 мм.
Контролируемое травлениеповерхностных слоев проводилось с помощью ионов аргона (Ar).Для проведения электрических и фотоэлектрических измерений на поверхность пленокбыли нанесены контакты из алюминия так, чтобы направление сканирования лазернымпучком было, как правило, параллельно контактам (образцы 1 – 10 и образец А).
Вотдельном случае (образец В) контакты наносились перпендикулярно направлениюсканирования лазерным пучком. Расстояние между контактами и длина контактовсоставляли 0.5 мм и 4 мм соответственно. Для измерения проводимости использовалсяпикоамперметр Keithly 6487. При этом на алюминиевые контакты образца подавалосьсмещение UV = 20 В. Исследованный образец помещался в азотный криостат, которыйпозволял варьировать температуру образца от 100 до 460 К и проводить измерения как приатмосферном давлении, так и в вакууме (при остаточном давлении Р ≈ 10-3 Па). Температураобразца определялась с помощью термопары медь-константан, закрепленной на поверхности«свидетеля», в качестве которого использовалась пластинка такого же размера и из того жематериала, что и подложка образца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
