Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением (1104686), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

В качестве источника излучения в случаефотоэлектрических измерений использовалась кварцевая галогенная лампа (КГМ-24-150).Свет от нее проходил через монохроматор, который позволял изменять длину волныпадающего излучения, и через окошко в криостате попадал на образец.

Как правило,измерение фотопроводимости происходило при облучении красным светом с длиной волны680 нм и интенсивности 1014 см-2с-1. Спектральная зависимость коэффициента поглощенияисследованных образцов определялась с помощью метода постоянного фототока (constantphotocurrent method – CPM) [1]. Данный метод позволяет измерять коэффициент поглощениятонких пленок в интервале значений =10-1 – 103 см-1.10Спектрыфотолюминесценции(ФЛ)исследованныхобразцов измерялисьпривозбуждении излучением непрерывного Ar-лазера (длина волны 364 нм, мощность 60 мВт).Лазерное излучение фокусировалось на образце в пятно диаметром ~ 2 мм.

Спектры ФЛрегистрировались с помощью спектрографа MS-3504i (SOLAR TII) и цифровой камеры сПЗС матрицей (Hamamatsu). Полученные спектры корректировались с учетом спектральногоотклика системы. Эксперименты проводились на воздухе при температуре 300 К.Основные результаты работы и их обсуждение изложены в третьей и четвертойглавах.Вразделемодифицированного3.1рассмотреныфемтосекунднымструктурныелазернымсвойстваизлучением,аморфногометодамикремния,оптической,растровой электронной (РЭМ) и атомной силовой микроскопии (АСМ).

В качестве примерана рис. 1 представлены микрофотографии РЭМ и изображение в отраженном светеповерхностей исходной пленки a-Si:H ипленок, облученных с W0 = 110 мДж/см2 иW0 = 360 мДж/см2. Из рисунка видно, чтоотражениеотпленки,облученнойфемтосекундными лазерными импульсами сW0 > 260 мДж/см2, значительно падает посравнениюсотражениемотисходнойпленки a-Si:H или пленки, облученной сплотностью энергии 110 мДж/см2. Из рис. 1также следует, что морфология поверхностиРис. 1. Изображения РЭМ исходной пленки aSi:H (слева вверху) и облученных пленок при двухразличных плотностях энергии лазерныхимпульсов 110 мДж/см2 (слева внизу) и 360мДж/см2 (справа внизу). Справа вверхуизображение пленки в отраженном свете.пленок a-Si:H существенно изменяется приФЛО.

Отметим также, что для пленок,облученныхшероховатостьсW0 > 260поверхностимДж/см2,резковозрастает. Как будет показано далее, данные факты связаны с началом процесса окисленияпленки на воздухе в результате ее сильного нагрева и плавления под воздействием лазерныхимпульсов с плотностью энергии более 260 мДж/см2. Основной причиной появленияшероховатостей на поверхности пленок является возникновение капиллярных волнвследствие разницы плотности кремния в твердой и жидкой фазах [2].

Действительно,кремний в жидкой фазе значительно плотнее, чем в твердой, поэтому при рекристаллизациипосле плавления область твердой фазы стремится расшириться, образовывая так называемые«хребты» и «холмы», на границе раздела [3].Дополнительные исследования, проведенные с помощью АСМ, также показали, чтопри облучении пленок a-Si:H лазерными импульсами на их поверхности образуются11шероховатости субмикронного размера.

Причем шероховатости на поверхности пленок,облученных при W0 < 135 мДж/см2, возникают неоднородным образом: можно выделитьполосы с модифицированной поверхностью и полосы с поверхностью как у исходнойпленки. При этом модифицированные полосы отстоят друг от друга на расстоянииприблизительно 2 мкм в горизонтальном направлении, что соответствует шагу сканирования.Отсюда следует, что неоднородное по поверхности пленок формирование полос связано сгауссовым распределением плотности энергии в лазерном импульсе.

Из анализа профилейповерхностей исследованных образцов было установлено, что при облучении пленокимпульсами с W0 от 40 до 135 мДж/см2 высота образующихся шероховатостей составляетпорядка 20 – 40 нм, в то время как размеры шероховатостей, образующихся на поверхностипленок при облучении с W0 > 260 мДж/см2, резко возрастают по высоте и изменяются от 200до 400 нм. Отметим, что при плотности энергии лазерных импульсов 500 мДж/см 2 (образец10) начинался процесс абляции пленки a-Si:H.Разделструктурных3.2посвященсвойствмодифицированныхлазернымизучениюпленокa-Si:H,фемтосекунднымизлучением,методомспектроскопии КРС. В качестве примерана рис. 2 представлен спектр КРС дляобразца 5.

На этом же рисунке показанааппроксимация спектра с использованиемРис. 2. Спектр КРС для образца 5 (точки) и егоаппроксимация составляющими фононнымимодами: ТО моды (черным), LO мода (зеленым), LAмода (фиолетовым). Красным изображенасуммарная интенсивность от всех мод.максимумов,характерныхгидрогенизированногодвухфазнойструктурой.дляпленоккремниясМаксимумывблизи частот ωLA = 310 см-1 и ωLO = 410см-1 соответствуют продольной акустической (LA) и продольной оптической (LO) фононныммодам в a-Si:H [4]. Максимум вблизи частоты ωА = 480 см-1 соответствует ТО фононной модев аморфной структуре кремния [4], а максимум вблизи частоты ωC = 520 см-1 отвечает ТОфононам кристаллического кремния [5].

Максимум вблизи частоты ωI = 500 см-1 связан с TOфононами и называется промежуточным, так как он расположен между максимумами,соответствующими аморфной и кристаллической структурам. Интерпретация данной полосыдо сих пор находится в стадии обсуждения. Так, например, в работе [6] промежуточныймаксимум связывается с наличием кремниевых кластеров размерами менее 10 нм. В то жевремя в работе [7] возникновение данного максимума приписывается промежуточной фазе,возникающей на границе раздела аморфного и кристаллического вещества.

Однако во всех12работах отмечается, что появление данного максимума в спектре КРС кремниевых пленок,подобных исследуемым, обусловлено наличием в структуре материала кристаллическойфазы нанометрового масштаба.Максимумы вблизи частот ωLA, ωLO и ωА, соответствующие фононным модам ваморфнойструктурекремния,атакжемаксимумвблизиωI,характеризующийпромежуточную фазу, были аппроксимированы линиями гауссовой формыI LA,LO, A,I ( )  BLA,LO, A,I (   LA,LO, A,I ) 2 LA,LO, A,Iexp , ,  LA,LO, A,I 22 LA,LO, A,I 2 2 ln 2(1)где ВLA,LO,A,I – константа, ωLA,LO,A,I и ГLA,LO,A,I – положение максимума спектра и его ширина наполувысоте соответственно.

Для пленок гидрогенизированного Si ωLA = 305 см-1, ГLA = 85 см1, ωLO = 390 см-1, ГLO = 105 см-1, ωA = 480 см-1, ГA = 70 см-1, ωI = 495 см-1, ГLA = 30 см-1.Максимум ωC был аппроксимирован в рамках модели сильного пространственногоконфайнмента оптических фононов, имеющего место в нанокристаллах кремния [8]. Вклад вспектр КРС от кристаллической фазы IC описывается следующим выражением:exp( q 2 L2 / 4)4q 2 dqI C ( )  BC 220 [   ( q )]  (C / 2)1,(2)где ВС – константа, L = dnc-Si / a0, dnc-Si – средний диаметр нанокристаллов в нм, a0 = 0.543 нм– постоянная решетки кристаллического кремния, ГС – ширина линии КРС в c-Si (притемпературе Т = 300 К ГС = 3 см-1), q – волновой вектор фонона, выраженный в единицах2π / a0, ω(q) – закон дисперсии оптических фононов, который определяется зависимостьюω(q) = ωC(1 – 0.18q2) [9], ωC – частота ТО фононов c-Si (520.5 см-1).

Оценка среднегодиаметра нанокристаллов производилась по сдвигу в область меньших частот максимумавблизи частоты ωC согласно выражениюd nc SiA a0 (d)CncSi1/ ,(3)где ω(dnc-Si) – частота ТО фононов в нанокристалле кремния размером dnc-Si, A и γ –параметры, описывающие конфайнмент фононов при уменьшении размера нанокристаллов.Для оценок средних размеров нанокристаллов кремния в исследованных образцах былииспользованы параметры A = 47.41 см-1 и γ = 1.44, полученные в работе [10] для кремниевыхсфер.13Чтобы оценить объемную долю кристаллической фазы fc в исследованных пленках,были вычислены интегральные интенсивности I A , I I и I C ТО фононных мод смаксимумами вблизи частот ωА, ωI и ωC, соответственно.

Значение fc определяетсявыражением типаfc IC  I I, 0 I A  IC  I I(4)где  0  0.1  exp( d ncSi / 25) – эмпирическое соотношение для отношения интегральныхсечений КРС в кристаллической и аморфной фазах кремния [9].Спектры КРС исследованных образцов были аппроксимированы по формулам (1) – (3)с подгоночными параметрами: ВLO, ВLA, ВА, ВС, ВI. Затем по формуле (4) была рассчитанадоля кристаллической фазы fc. Зависимость объемной доли кристаллической фазы fсисследуемых образцов от плотности энергии лазерных импульсов представлена на рис.

3. Изрисунка хорошо видно, что с увеличением плотности энергии лазерных импульсов, объёмнаядоля кристаллической фазы в пленкевозрастает, достигая значения 30 %.Отметим,чтоприоблучениилазерными импульсами с W0 > 135мДж/см2объемнаякристаллическойфазыдолявпленкепродолжает расти, однако, как будетпоказано далее, одновременно с этимначинаетсяпроцессокисленияпленок. Поэтому данные по долеРис. 3. Зависимость объемной доликристаллической фазы fc от плотности энергии лазерныхимпульсов, использованных для облучения пленок a-Si:H.кристаллической фазы в образцах 7 –10небылипредставленнуювключенынарис.в3зависимость.Спектры КРС также могут быть использованы для определения относительногоизменения концентрации Si-H связей, а значит и содержания водорода, в исследуемыхпленках.

Характеристики

Список файлов диссертации