Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением (1104686), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Максимум в спектре КРС вблизи частоты ωSi-H = 625 см-1 отвечает за колебательныемоды Si-H связей [4]. В работе установлено, что при увеличении плотности энергиилазерныхимпульсовинтенсивностьмаксимумавблизиωSi-Hуменьшается.Поотносительному изменению интегральной интенсивности соответствующего максимума14можно судить об относительном изменении концентрации водорода в пленке. Максимумвблизи 625 см-1 был аппроксимирован линией гауссовой формы. Стоит отметить, что припроведении аппроксимации спектров также учитывался вклад от LA фононной моды наудвоенной частоте (вблизи 610 см-1).
На рис. 4 изображена зависимость относительногоизменения концентрации водорода в пленке, вычисленного по соотношению интегральныхинтенсивностей линии вблизи 625 см-1, отплотности энергии лазерных импульсовW0, использованных для облучения пленокКакa-Si:H.концентрациявидноизводородарисунка,впленкеуменьшается при увеличении W0. Данныйэффектпроявляетсятакжепритермическом отжиге пленок a-Si:H притемпературахСледовательно,Рис. 4. Зависимость относительного изменениясодержания водорода в пленке a-Si:H отплотности энергии воздействующих на неелазерных импульсов.большеФЛО350такоСили[11].иначеприводит к термическому возбуждению aSi:H,сопровождающемусяэффузиейводорода из пленки.В разделе 3.3 приводятся результаты исследований химического состава пленок a-Si:H,модифицированных фемтосекундным лазерным излучением с W0 > 260 мДж/см2, методомРФЭС.
Для примера на рис. 5 представлена часть спектра РФЭС, соответствующая Si 2pорбиталям необлученной пленки a-Si:H и облученной пленки (W0 = 260 мДж/см2). Изтабличных данных известно, что энергия связи Si2р электронов в объемномкристаллическом кремнии равна 99.5 эВ, а энергия связи Si 2р электронов в матрице SiO2приблизительно составляет 104 эВ. Чтобы избежать в исследованиях учета естественногооксидного слоя, с поверхности необлученной пленки a-Si:H ионами Ar был стравлен слойтолщиной в 4 нм. После этого анализ спектра РФЭС необлученной пленки показал (рис.
5штриховая линия), что она состоит только из атомов кремния. В то же время, содержаниеSiO2 в пленке резко возрастает при ее облучении с W0 > 260 мДж/см2 (рис. 5 сплошнаялиния). При этом показано, что более 90 % атомов кремния окисляются при воздействии наних лазерными импульсами с W0 > 260 мДж/см2 на воздухе. Дополнительное ионноетравление ионами Ar облученных пленок a-Si:H показало, что процентный состав SiO2 неизменяется, по крайней мере, до глубины в 60 нм.15Причинаокисленияпленокa-Si:H,облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами с W0 > 260 мДж/см2 на воздухе,по всей видимости, связана с плавлениемматериала.
При этом процесс диффузиикислородавглубьобразцаускоряетсяблагодаря тому, что коэффициент диффузиикислорода в жидкой фазе кремния на 6порядков выше, чем в кристаллической [12].Рис. 5. Часть спектра РФЭС,соответствующая Si 2p орбиталямнеоблученной пленки a-Si:H (штриховая линия) ипленки, облученной при W0 = 260мДж/см2,(сплошная линия).К тому же при образовании субмикронныхшероховатостей(рис.1)существенновозрастает площадь поверхности пленки.Структурные изменения, вызванные модификацией пленок a-Si:H фемтосекунднымлазерным излучением, ведут к изменению их электрических и фотоэлектрических свойств.Раздел 4.1 посвящен исследованию данных изменений.Температурные зависимости темновой проводимости образцов 1 – 6 показаны на рис.6.
Представленные на рисунке зависимости можно разделить на две группы по значениюпроводимости (кривые 1, 2, 3 с низким значением σd и кривые 4, 5, 6 – с высоким). Длялучшего понимания природы различий между этими группами на рисунке такжепредставлены температурные зависимости проводимости для образцов А и В. Так какиспользованная при облучении плотность энергии лазерных импульсов для двух данныхобразцов была одинаковой, объемные доликристаллической фазы в них также близки.Когдаиспользуетсялазерногооблученияконтактам,носителямконфигурацияпараллельнаязаряда,чтобыдостичь контакта и тем самым дать вклад впроводимость, необходимо пройти черезнабор аморфных и кристаллизованныхчастейРис. 6.
Температурная зависимость темновойпроводимости исследованных пленок a-Si:H.Указанные номера соответствуют образцам,облученным с различной W0: 0 (1), 40 (2), 65 (3), 90(4), 110 (5), 135 (6), 240 мДж/см2 в параллельной (A) иперпендиккулярной (B) конфигурации сканирования.16пленки.Вэтомслучаепроводимость пленки в основном будетопределяться составляющей с бóльшимсопротивлением, т.е. ее аморфной частью.Напротив, при сканировании лазером понаправлению перпендикулярному контактам, носители заряда могут двигаться от одногоконтакта к другому по пути из нанокристаллов кремния.
При этом сопротивление будетопределяться кристаллизованной частью пленки. Как видно из рис. 6 кривая А(температурная зависимость проводимости образца А) попадает в группу с низкойпроводимостью, а кривая B (температурная зависимость проводимости образца В) – в группус высокой проводимостью. В связи с этим можно заключить, что в образцах под номерами 1– 3 перенос носителей осуществляется по аморфной части пленки, а в образцах подномерами 4 – 6 – по кремниевым нанокристаллам.Изменение фотопроводимости в результате облучения пленок a-Si:H фемтосекунднымлазерным излучением имеет немонотонный характер.
Для пленок, облученных при W0 = 40мДж/см2 и W0 = 65 мДж/см2, в которых доля нанокристаллов составляет приблизительно 2%и 4%, соответственно, наблюдается небольшой (в пределах порядка) спад фотопроводимостипо сравнению с необлученной пленкой. Такое уменьшение может быть связано сувеличением концентрации дефектов типа оборванных связей (основных рекомбинационныхцентров в a-Si:H) в процессе образования нанокристаллов, которое приводит к уменьшениювременижизнинеравновесныхносителейи,соответственно,куменьшениюфотопроводимости.
Для образца, облученного при W0 = 90 мДж/см2 (объемная долянанокристаллов 7 %), наблюдаемое увеличение фотопроводимости в результате лазерногооблучения может быть связано с появлением возможности переноса фотогенерированныхносителей заряда по цепочкам кремниевых нанокристаллов. Последнее приводит к резкомувозрастаниюподвижностифотогенерированныхносителей,а,следовательно,ифотопроводимости. Фотопроводимость образцов 5, 6 при этом падает.
Данный спадфотопроводимости, по-видимому, связан споявлениемдополнительныхрекомбинационных центров за счет процессовиспарения и окисления пленки.Вразделеспектральныепоглощения4.2зависимостиα(hν)лазернымполученныеНауказанныедляa-Si:H,фемтосекунднымизлучением.представленыкоэффициентапленокмодифицированныхРис.7.
Спектральные зависимостикоэффициента поглощения в относительныхединицах α(hν) / α(1.80 эВ) пленок a-Si:H,облученных при W0: 0 (1), 40 (2), 65 (3), 90 (4),110 (5), 135 (6) мДж/см2.исследуютсяобразцоврис.7зависимости,1–6инормированные на значение α при энергии17квантов hν = 1.80 эВ. Как видно из рисунка, зависимости α(hν) для всех исследованныхобразцов имеют форму, характерную для a-Si:H. А именно, «плечо» поглощения приэнергиях квантов hν < 1.4 эВ (также называемое «дефектным»), связанное с переходаминосителей заряда в зону проводимости из состояний дефектов типа оборванных связей [13],и экспоненциальный участок в области энергий квантов 1.4 эВ < hν < 1.8 эВ,соответствующий оптическим переходам с участием состояний хвостов зон (такженазываемый хвостом Урбаха).
Поглощение при hν > 1.8 эВ отвечает за межзонные переходы.Известно [14], что форма спектра поглощения изменяется при изменении структурыматериалаотаморфнойкдвухфазной,состоящейизаморфнойматрицыснанокристаллическими включениями. Как следует из рис. 7, после лазерного облучениярастет поглощение в диапазоне hν < 1.4 эВ, то есть «дефектное» поглощение в a-Si:H. Нашиизмерения показали, что данные состояния являются стабильными к термическому отжигупри 170 оС. Рост поглощения в указанной области для исследованных образцов можнообъяснитьобразованиемдополнительныхдефектовнаграницеразделамеждунанокристаллами кремния и аморфной матрицы.Раздел 4.3 посвящен исследованию фотолюминесцентных свойств пленок a-Si:H,модифицированных фемтосекундным лазерным излучением.
Результаты исследованийпоказали, что для пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО c W0 > 260 мДж/см2, наблюдаетсявидимая фотолюминесценция с максимумом вблизи 675 нм (1.84 эВ) при комнатнойтемпературе (рис. 8). Как видно из рисунка, интенсивность фотолюминесценции возрастает сувеличением плотности энергии лазерных импульсов. Для установления природыобнаруженной ФЛ был исследован их химический состав методом РФЭС. Как показановыше содержание SiO2 в пленках a-Si:Hрезковозрастает(приблизительнодо90 %) при их ФЛО с W0 > 260 мДж/см2.
Тоесть появление и рост как интенсивностиФЛ, так и сигнала РФЭС от SiO2 cувеличением плотности энергии лазерныхимпульсов свидетельствуют о том, чтообнаруженная ФЛ связана с окисленнымкремниемвоблученныхпленках.Вработах [15, 16] были исследованы ФЛРис.8. Спектры фотолюминесценции пленок aSi:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами с W0 = 260, 360 и 460 мДж/см2.свойства монокристаллического кремния,подвергнутого18ФЛОнавоздухе.Вуказанных работах было установлено, что лазерное излучение плавит кристаллическийкремний, который затем окисляется. Авторы работы [15] обнаружили ФЛ от облученныхфемтосекундными лазерными импульсами кремниевых подложек с максимумом на длинахволн от 540 нм до 630 нм. После отжига образцов при температуре 1000 оС в вакууме имибыла зарегистрирована ФЛ с максимумом на больших длинах волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
