Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением (1104686), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В то время как в работе[16] наблюдались две люминесцентные области с максимумами вблизи 600 и 680 нм безотжига образцов. В обеих работах высоко- (зеленая и оранжевая) и низкоэнергетическая(красная) области ФЛ были приписаны, соответственно, к ФЛ от дефектов на границераздела между нанокристаллами кремния и диоксидной матрицей и к ФЛ вследствиерекомбинации экситонов в нанокристаллах кремния. Сдвиг линии люминесценциинанокристаллов кремния в видимую область связывался авторами [17] с квантовымразмерным эффектом.
С учетом этого размер нанокристаллов Si в нашем случае долженсоставлять 3 – 4 нм, что не согласуется с результатами наших оценок, проведенных спомощью спектроскопии КРС, которые показали, что средний размер нанокристаллов,образующихся в пленках a-Si:H, облученных при W0 > 260 мДж/см2, равен приблизительно 8нм.
Таким образом, обнаруженная ФЛ пленок a-Si:H, подвергнутых ФЛО, не может бытьсвязана с рекомбинацией экситонов в нанокристаллах. По-видимому, полоса ФЛ вблизи 675нм обусловлена дефектными состояниями на границе раздела между нанокристаллами иматрицей SiO2.В заключении представлены основные результаты и выводы.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе исследованы структурные, оптические и фотоэлектрические свойства пленокгидрогенизированного аморфного кремния, модифицированных фемтосекундным лазернымизлучением. Получены следующие основные результаты:1. Показано,чтофемтосекундноелазерноеоблучениепленокаморфногогидрогенизированного кремния приводит к возникновению в аморфной матрицекремниевых кристаллитов нанометрового размера, концентрацию которых можноизменять контролируемым образом в широких пределах. Методом спектроскопии КРСобнаружено, что процесс лазерной кристаллизации пленок a-Si:H сопровождаетсяэффузией водорода из них. Выявлено, что облучение пленок a-Si:H фемтосекундными19лазерными импульсами с плотностью энергии более 260 мДж/см2 на воздухе приводитк их однородному по толщине окислению.2.
Установлено, что при объемной доле кристаллической фазы в облученныхфемтосекундными лазерными импульсами пленках a-Si:H порядка 7 % проводимостьпленок возрастает на несколько порядков. При этом наблюдаемая энергия активациипроводимости значительно уменьшается. Данные факты объясняются образованием впленке при указанной доле кристаллической фазы перколяционного пути, состоящегоиз кремниевых нанокристаллов, в связи с чем, перенос носителей заряда по аморфнойматрице сменяетсяих переносом по кремниевым нанокристаллам.
Отличиенаблюдаемого порога перколяции от теоретического может быть связано с частичнойупорядоченностью в расположении кремниевых нанокристаллов вдоль направлениясканирования лазерным лучом.3. Обнаружено, что фотопроводимость пленок a-Si:H, подвергнутых фемтосекундномулазерному облучению, немонотонно зависит от объемной доли кристаллической фазы.Вначале, с увеличением доли нанокристаллов фотопроводимость уменьшается посравнению с фотопроводимостью аморфного кремния. Такое уменьшение может бытьсвязано с увеличением концентрации дефектов типа оборванных связей в процессеобразования нанокристаллов, которое приводит к уменьшению времени жизнинеравновесных носителей. При доле кристаллической фазы в районе 7 %фотопроводимость резко увеличивается.
Последнее можно связать с появлениемвозможности переноса фотогенерированных носителей заряда по кремниевымнанокристаллам,чтоприводиткрезкомувозрастаниюподвижностифотогенерированных носителей. Дальнейшее уменьшение фотопроводимости с ростомдоли нанокристаллов в аморфной матрице может быть связано с появлениемдополнительных рекомбинационных центров за счет процессов испарения и окисленияпленки.4. Установлено,чтоспектральныезависимостикоэффициентапоглощениямодифицированных фемтосекундными лазерными импульсами пленок a-Si:H собъемной долей кристаллической фазы менее 30 % имеют вид характерный дляаморфного гидрогенизированного кремния. Это указывает на то, что процессыгенерации неравновесных носителей заряда в таких образцах определяются главнымобразом аморфной матрицей.5.
Выявлено, что фемтосекундное лазерное облучение пленок a-Si:H приводит квозрастанию коэффициента поглощения в области hν < 1,4 эВ, что может быть связано20с образованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрываслабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки.6. Обнаружена видимая фотолюминесценция с максимумом вблизи 675 нм от пленок aSi:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами с плотностью энергиибольшей 260 мДж/см2 на воздухе. Интенсивность люминесценции возрастает сувеличением плотности энергии в лазерном импульсе, использованной при облучениипленок, и достигает максимального значения при плотности энергии 460 мДж/см 2.Наблюдаемаяфотолюминесценцияобъясняетсярекомбинациейнеравновесныхносителей заряда через дефектные состояния, образующиеся на границе разделамеждукремниевыминанокристалламииматрицейSiO2.Обнаруженнаяфотолюминесценция указывает на возможность использовать слои аморфногогидрогенизированногокремния,подвергнутыеоблучениюфемтосекунднымилазерными импульсами с большой плотностью энергии, для переизлученияультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый солнечнымэлементом на основе a-Si:H видимый свет.Цитированная литература:[1] J.
Kočka, Relation of defects and grain boundaries to transport and photo-transport: Solved andunsolved problems in microcrystalline silicon // J. Non-Cryst. Sol. 2012. Vol. 358. P. 1946-1953.[2] D. K. Fork, G. B. Anderson, J. B. Boyce, R. I. Johnson, P. Mei, Capillary waves in pulsedexcimer laser crystallized amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 2138-2140.[3] D. J. McCulloch, S.
D. Brotherton, Surface roughness effects in laser crystallized polycrystallinesilicon // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 66. P. 2060-2062.[4] N.M. Liao, W. Li, Y.D. Jiang, Y.J. Kuang, K.C. Qi, Z.M. Wu, S.B. Li, Raman study of a-Si:Hfilms deposited by PECVD at various silane temperatures before glow-discharge // Appl. Phys. A.2008. Vol. 91. P. 349-352.[5] H. Richter, Z.P. Wang, L. Ley, The one phonon Raman spectrum in microcrystalline silicon //Solid State Commun.
1981. Vol. 39(5). P. 625-629.21[6] T. Kaneko, M. Wagashi, K. Onisawa, T. Minemura, Change in crystalline morphologies ofpolycrystalline silicon films prepared by radio‐frequency plasma‐enhanced chemical vapordeposition using SiF4+H2 gas mixture at 350 °C // Appl. Phys. Lett. 1994.
Vol. 64. P. 1865-1867.[7] P. Gogoi, P.N. Dixit, P. Agarwal, Amorphous silicon films with high deposition rate preparedusing argon and hydrogen diluted silane for stable solar cells // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2007.Vol. 91. P. 1253-1257.[8] I.H. Campbell, P.M. Fauchet, The effects of microcrystal size and shape on the one phononRaman spectra of crystalline semiconductors // Solid State Commun. 1986.
Vol. 58(10). P. 739-741.[9] В.Г. Голубев, В.Ю. Давыдов, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов, Спектрырамановского рассеяния и электропроводность тонких пленок кремния со смешаннымаморфно-нанокристаллическимфазовымсоставом:определениеобъемнойдолинанокристаллической фазы // ФТТ. 1997. Том 39. С. 1348-1353.[10] J. Zi, H. Buscher, C.
Falter, W. Ludwig, K. Zhang, X. Xie, Raman shifts in Si nanocrystals //Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69. P. 200-202.[11] U. Köster, Crystallization of amorphous silicon films // Phys. Stat. Sol. A. 1978. Vol. 48(2). P.313-321.[12] K. Hoh, H. Koyama, K. Uda, Y. Miura, Incorporation of Oxygen into Silicon during PulsedLaser Irradiation // Jpn. J.
Appl. Phys. 1980. Vol. 19. P. L375-L378.[13] D. Han, G. Yue, J.D. Lorentzen, J. Lin, H. Habuchi, Qi. Wang, Optical and electronicproperties of microcrystalline silicon as a function of microcrystallinity // J. Appl. Phys. 2000. Vol.87, P. 1882-1888.[14] A.G. Kazanskii, G.
Kong, X. Zeng, H. Hao, F. Liu, Peculiarity of constant photocurrentmethod for silicon films with mixed amorphous-nanocrystalline structure // J. Non-Cryst. Solids.2008. Vol. 354. P. 2282-2285.[15] C. Wu, C.H. Crouch, L. Zhao, E. Mazur, Visible luminescence from silicon surfacesmicrostructured in air // Appl.
Phys. Lett. 2002. Vol. 81. P. 1999-2001.[16] T. Chen, J. Si, X. Hou, S. Kanehira, K. Miura, K. Hirao, Luminescence of black siliconfabricated by high-repetition rate femtosecond laser pulses // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P.073106-1-073106-4.22[17] G.Ledox, J.Gong, F.Huisken, O.Guillois, C.Reinaud, Photoluminescence of size-separatedsilicon nanocrystals: Confirmation of quantum confinement // Appl.
Phys. Lett. 2002. Vol. 80. P.4834-4836.Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:А1.A.V. Emelyanov, A.G. Kazanskii, M.V. Khenkin, P.A. Forsh, P.K. Kashkarov, M.Gecevicius, M. Beresna, P.G. Kazansky “Visible luminescence from hydrogenatedamorphous silicon modified by femtosecond laser radiation”// Applied Physics Letters,2012, vol. 101, pp. 081902-1 – 081902-3.А2.А.В. Емельянов, А.Г. Казанский, П.К. Кашкаров, О.И.
Коньков, Е.И. Теруков, П.А.Форш, М.В. Хенкин, А.В. Кукин, M. Beresna, P. Kazansky «Влияние фемтосекундноголазерного облучения пленок аморфного гидрогенизированного кремния на ихструктурные, оптические и фотоэлектрические свойства»// ФТП, 2012, том 46, стр.769-774.А3.А.В. Емельянов, Е.А. Константинова, П.А. Форш, А.Г. Казанский, М.В.
Хенкин, Н.Н.Петрова, Е.И. Теруков, Д.А. Кириленко, Н.А. Берт, С.Г. Конников, П.К. Кашкаров«Особенности структуры и дефектных состояний в пленках гидрогенизированногополиморфного кремния»// Письма ЖЭТФ, 2013, том 97, вып. 8, стр. 536 – 540.А4.А.В. Емельянов, А.Г. Казанский, П.К. Кашкаров, С.Ю. Ларкин, Е.И.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
