Диссертация (1105259), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Свет из выходной щели монохроматора, пройдя через блок55фильтров 5, попадает на фокусирующую линзу 6 и затем на полупрозрачное зеркало 7,установленное под углом 45º к оптической оси. Луч, прошедший через зеркало, попадает наобразец, размещенный в криостате 8. Отраженный от зеркала луч попадает на фотоприемник9 (Hamamatsu K1713-09), который контролирует интенсивность света, падающего на образец.Ток фотоприемника регистрируется мультиметром 10 (TTI 1906 Computing Multimeter).Управляемый источник питания 12 (Lot Oriel ARC Lamp Power Supply model 69931)позволяет изменять ток лампы накаливания и, соответственно, интенсивность падающего навходную щель монохроматора света лампы накаливания.Ниже будут подробно описаны метод постоянного фототока и метод анализа спектровКРС, с указанием их преимуществ и ограничений.
Внимание к данным техникам связано с ихважной ролью в данной работе для анализа фотоэлектрических свойств двухфазныхкремниевых пленок и характеризации их структуры, соответственно.2.1 Метод постоянного фототока для измерения спектральныхзависимостей коэффициента поглощенияКак правило, для измерения коэффициента поглощения света α используют оптическиеметоды измерения, позволяющие на основе измерений коэффициента отражения R икоэффициента пропускания T вычислить коэффициент поглощения материала. Однако, вслучае тонких пленок (толщина < 1 мкм) прямые оптические измерения позволяют измеритьтолько коэффициент поглощения величиной, превышающей 102 см-1. Поэтому дляисследования поглощения, связанного с оптическими переходами, в которых участвуютсостояния в щели подвижности, используются косвенные методы.Одним из таких методовявляется метод постоянного фототока [137] (constant photocurrent method - CPM), которыйпозволяет измерять коэффициент поглощения тонких пленок a-Si:H в диапазоне α = 10-1 - 103см-1.Поскольку метод CPM является одним из основных методов в данной работе, краткоизложим его основную идею.
Выражение для стационарного фототока Iф в материале с однимтипом носителей заряда имеет вид:Iф=eN(1-R)(1-exp(-αd))hmtF,(3)где e – заряд электрона, N – плотность потока фотонов; R – коэффициент отражения; α –коэффициент поглощения; d – толщина образца; h, m, t - квантовый выход фотогенерации,подвижность и время жизни свободных носителей заряда, соответственно; F - приложенное56электрическое поле. Заметим, что выражение N(1-R)(1-exp(-αd)) дает число поглощенныхфотонов в единицу времени.В области энергий квантов света hn £ Eg для тонких пленок a-Si:H/nc-Si:Hвыполняется условие слабого поглощения ad << 1. Тогда выражение для стационарногофототока можно упростить до вида:Iф=eN(1-R)αdhmtF.(4)Коэффициент отражения R слабо зависит от hn.
Подвижность носителей заряда mопределяется преобладающим механизмом переноса. Если предположить, что во всемспектральном диапазоне механизм переноса неравновесных носителей заряда не изменяется,то m=const. В большинстве случаев в области комнатных температур для пленокгидрогенизированного кремния это предположение выполняется. Величину h также можносчитать постоянной, поскольку было экспериментально установлено, что в области hn < Еg hизменяется не больше, чем в 2 раза, в то время, как a изменяется в указанном диапазонеэнергий на 2 - 4 порядка.Для получения информации о спектральной зависимости коэффициента поглощенияиз спектров фотопроводимости необходимо контролировать время жизни t в процессеизмерений.Чтобыудовлетворитьусловиюt(hn)=const,необходимоподдерживатьпостоянное заполнение центров рекомбинации в запрещенной зоне материала во всемспектральном диапазоне. Это условие эквивалентно постоянству квазиуровней Фермиэлектронов и дырок (ЕFn и ЕFp), которые определяют концентрации носителей в зонах приосвещении.
Если ЕFn (или ЕFp) сместится при изменении интенсивности падающего света,длины волны или температуры, то изменяется и число глубоких заполненных состояний, авместе с ним и время жизни t. В случае, если имеется один тип носителей и один тип центроврекомбинации,квазиуровниФермистабилизируются,еслиподдерживатьфототокпостоянным. При этом время жизни определяется одним и тем же набором центроврекомбинации при различных энергиях кванта, и, таким образом, t(hn)=const. Тогда наосновании соотношения (4),a CPM (hn ) =constN ( hn ) | Iф=const ,(5)где N(hn) - поток фотонов, необходимый для поддержания фототока на постоянном уровнепри энергии hn.57При этом необходимо иметь в виду, что метод постоянного фототока регистрируеттолько то поглощение, которое приводит к возникновению фототока в образце.2.2 Анализ спектров комбинационного рассеяниядвухфазных пленок гидрогенизированного кремнияАнализ спектров КРС является основным методом для получения информации оструктуре материалов.
В данной работе он был использован для получения информации оструктуре пленок гидрогенизированного кремния.ВРис. 21. Характерный спектр КРС двухфазной пленки гидрогенизированного кремния и егоразложение на составляющие фононные моды.В данной работе исследованы пленки гидрогенизированного кремния с двухфазнойструктурой.Дляоценкидоликристаллическойфазывисследованныхобразцахпроизводилось разложение спектров КРС на составляющие фононные моды. Характерныйдля двухфазных пленок гидрогенизированного кремния спектр КРС приведён на рисунке 21.Точками на рисунке отображены экспериментальные значения, синими пунктирнымилиниями – моды колебаний, красным - суммарная интенсивность от всех представленныхмод.
Максимумы вблизи частот ωLA = 310 см-1 и ωLO = 410 см-1 соответствуют продольнойакустической (LA) и продольной оптической (LO) фононным модам в a-Si:H [138]. Широкиймаксимум вблизи частоты ωА = 480 см-1 соответствует ТО фононной моде в аморфнойструктуре кремния, а максимум при частоте ωC = 520 см-1 отвечает ТО фононамкристаллического кремния. Максимум вблизи частоты ωI = 500 см-1 называется«промежуточным», так как он расположен между максимумами, соответствующими58аморфной и кристаллической структурам. В литературном обзоре отмечалось, чтоинтерпретация данной полосы до сих пор находится на стадии обсуждения. Так, в работе [66]промежуточный максимум связывается с наличием кремниевых кластеров размерами менее10 нм.
В то же время в работе [67] возникновение данного максимума приписываетсяпромежуточной фазе, возникающей на границе раздела аморфного и кристаллическоговещества. Однако во всех работах отмечается, что появление данного максимума в спектрекомбинационного рассеяния света кремниевых пленок, подобных исследуемым, обусловленоналичием в структуре материала кристаллической фазы нанометрового масштаба.За исключением максимума около ωC остальные максимумы при частотах ωLA, ωLO иωА, соответствующие фононным модам в аморфной структуре кремния, а также максимумвблизи ωI, характеризующий промежуточную фазу, были аппроксимированы линиямигауссовой формы [139]:I LA,LO, A,I (w ) = BLA,LO , A,Ié (w - w LA,LO, A,I ) 2 ùGLA,LO , A,Id=exp êú,,LA,LO,A,I22d LA2 2 ln 2, LO , A, Iûúëê(6)где ВLA,LO,A,I – интенсивность (в относительных единицах), ωLA,LO,A,I и ГLA,LO,A,I – положениемаксимума спектров и их ширина на полувысоте, соответственно.
Эти параметрыварьировались для достижения наилучшей аппроксимации экспериментальных спектров.Максимум при ωC был аппроксимирован в рамках модели сильного пространственногоконфайнмента оптических фононов, имеющего место в нанокристаллах кремния [140].Согласно данной работе, вклад в спектр КРС от кристаллической фазы нанокристалловкремния IC описывается выражением:exp( -q 2 L2 / 4)4pq 2 dqI C (w ) = BC ò[w - w (q )]2 + (GC / 2) 201,(7)где ВС – интенсивность, L = dnc-Si / a0, dnc-Si – диаметр нанокристаллов в нм, a0 = 0.543 нм –постоянная решетки кристаллического кремния, ГС – ширина линии КРС в c-Si, q – волновойвектор фонона, выраженный в единицах 2π / a0, ω(q) – закон дисперсии оптических фононов,который определяется зависимостью ω(q) = ωC(1 – 0.18q2) [141], ωC – частота оптическихфононов c-Si.
При аппроксимации спектров КРС варьировались параметры ВС, ГС и ωC.Чтобы оценить объемную долю кристаллической фазы fc в исследованных пленках,вычислялись интегральные интенсивности I A , I I и I C ТО фононных мод с максимумамивблизи частот ωА, ωI и ωC, соответственно. Значение fc определяется из выражения59fc =IC + I I,s 0 I A + IC + I I(8)где s 0 = 0.1 + exp(-d nc- Si / 25) – эмпирическое соотношение для отношения интегральныхсечений комбинационного рассеяния света в кристаллической и аморфной фазах кремния[141], а dnc-Si – средний диаметр нанокристаллов кремния в нм.Заметим, что для оценки среднего диаметра нанокристаллов в пленках аморфногокремния,модифицированногофемтосекунднымилазернымиимпульсами,можноиспользовать модель пространственного конфайнмента ТО фононов при уменьшенииразмера нанокристаллов кремния.
Положение максимума ТО моды в спектре КРС дляобъемного кристаллического кремния соответствует 520.5 см-1. При уменьшении размерананокристаллов кремния положение максимума сдвигается в область меньших частот.Данный сдвиг согласно [142,143] описывается формулой:Dw = w (d nc - Si ) - w C = - A(a 0 / d nc - Si ) g ,(9)откуда для определения среднего размера нанокристаллов получаем выражение:d nc - SiæöA÷÷= a0 ççdww()nc - Si øè C1/ g,(10)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 [142] для кремниевыхсфер.
Стоит отметить, что расчеты для кремниевых колонн несущественным образомотличаются от расчетов для кремниевых сфер при сдвигах Δω не менее 5 см-1 (размернанокристаллов более 2 нм) [142].60Глава 3. Протокристаллическийгидрогенизированный кремнийКак отмечалось в литературном обзоре, пленки a-Si:H c включением малой доликремниевых нанокристаллов (так называемый протокристаллический гидрогенизированныйкремний — pc-Si:H) имеют большие перспективы применения в солнечной энергетике.Согласно литературным данным, они обладают большей стабильностью параметров придлительном освещении по сравнению с a-Si:H. В тоже время следует отметить, чтоисследование и работа с пленками pc-Si:H существенно затруднены из-за сложностидетектирования малой доли нанокристаллов кремния в a-Si:H (менее 10%) и узкимдиапазономусловийосаждения,приводящимкформированиюпленокспротокристаллической природой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
