Диссертация (1105259), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Описанная спектральная зависимость показана нарисунке 28. Её экстраполяция к нулю дает значение близкое к 1.2 эВ, что хорошо согласуетсяс величиной для запрещенной зоны кристаллов кремния.0.14(a CP M(A ) - a CPM(B))1/2 , arb. units0.120.100.080.060.040.020.001.01.21.41.61.8hn, eV(А)Рис. 28. Спектральная зависимость (αСРМ - αСРМ(В))1/2, полученная для образца Rh_10 вслучае его освещения в течение 5 минут светом с энергией кванта 1.8 эВ и интенсивностью2 мВт˖см-2.70Таким образом, мы предполагаем, что уменьшение поглощения, измеренного методомСРМ, в области энергий падающего света 1.2-1.5 эВ связано с уменьшением вклада вфотопровдимость пленок от нанокристаллов, содержащихся в их структуре.
Рост поглощенияв области 1-1,5 эВ при увеличении длительности освещения связан с ростом концентрациидефектов типа оборванных связей в аморфной матрице.3.3 Влияние атмосферы воздуха на электрическиесвойства пленок pc-Si:HПри описании методики измерения электрических и фотоэлектрических характеристикпленок указывалось, что перед проведением экспериментов все образцы отжигались при 170ºС, в частности, для устранения влияния воздуха на измеренные свойства. Однако в данномразделе мы рассмотрим изменение при нагреве темновой проводимости пленок, взятых до ихотжига (то есть подвергнутых влиянию атмосферы и солнечного света).
Это важно, так какбыло обнаружено, что влияние воздуха определяется структурой материала и, в частности,динамика изменения темновой проводимости имеет характерные особенности для пленок спротокристаллической природой.Рис. 29. Температурные зависимости темновой проводимости пленок гидрогенизированногокремния с различной долей кристаллической фазы, полученных лазерным облучением a-Si:H.Заполненные символы относятся к пленкам в отожженном состоянии; пустые символы — внеотожженном.На рисунке 29 показаны температурные зависимости темновой проводимости дляпленок a-Si:H, nc-Si:H и pc-Si:H.
На данном графике nc-Si:H и pc-Si:H - пленки, полученныелазерной кристаллизацией аморфного кремния, которая будет подробно описана в главе 5. На71данный момент важно знать только, что кристаллиты, созданные в данных пленках,расположены вблизи поверхности. Согласно анализу спектров КРС, доля кристаллическойфазы в пленке nc-Si:H составляет ~ 75%; в пленке pc-Si:H кристаллического пика на спектрахКРС не наблюдалось, но условия облучения пленки соответствуют началу образованиякристаллической фазы. Как видно из рисунка, в отожженном состоянии все температурныезависимости σd имеют активационный характер.
По мере увеличения кристалличностипленок наблюдается уменьшение энергии активации (от 0,78 эВ для a-Si:H и pc-Si:H до 0,66эВ для nc-Si:H). При комнатной температуре соотношение проводимости пленки до и послеее отжига зависит от структуры пленки. До отжига в вакууме проводимость пленки a-Si:Hменьше ее значения, которое наблюдаются после отжига пленки. В тоже время для nc-Si:Hнаблюдается противоположный эффект. В работе [150] показано, что адсорбция пленками aSi:H различных компонентов воздушной среды может как увеличивать, так и уменьшатьтемновую проводимость пленок в зависимости от типа адсорбента.
В частности, куменьшению σd может приводить кислород, захваченный из воздуха на поверхность пленки ипроявляющий себя в качестве акцептора. Увеличение же темновой проводимости послевыдержки на воздухе пленок нанокристаллического кремния наблюдали ранее авторы работы[151]. Они связывают этот эффект с адсорбцией на поверхность пленок молекул воды изатмосферы.Особый интерес представляет характер температурных зависимостей проводимости,полученный при повышении температуры для образца с малой долей нанокристалловкремния, расположенных на поверхности пленки, выдержанного в атмосфере воздуха.Температурная зависимость проводимости имеет немонотонный характер, в областитемператур 65-85 ºС наблюдается уменьшение проводимости с ростом температуры.
Даннаяформа температурных зависимостей указывает на возможность наличия двух факторов,влияющих на их проводимость на воздухе в неотожженном состоянии, первый из которыхприводит к увеличению проводимости пленки, а второй — к уменьшению. Немонотонностьзависимости σd(10 3/T) может быть связана с различной температурой отжига изменений,определяемых этими факторами.
С повышением температуры происходит сначала отжигизменений, определяемых первым фактором, а затем отжиг изменений, определяемыхвторым фактором.По аналогии с результатами, полученными для пленок nс-Si:H, можно предположить,что в случае pc-Si:H первым фактором является адсорбция молекул воды, содержащихся в72воздушной атмосфере, на поверхность нанокристаллов, что приводит к увеличениюпроводимости исследованных пленок. При этом, поскольку проводимость в пленках pc-Si:H,по-видимому, определяется аморфной фазой, то роль нанокристаллов с адсорбированнымимолекулами воды состоит в их влиянии на положение уровня Ферми в аморфной матрицедвухфазного материала и, соответственно, на проводимость пленки. Смещение уровня Фермик зоне делокализованных состояний аморфной фазы при адсорбции нанокристалламимолекул воды может привести к увеличению проводимости пленки.
Соответственнодесорбция молекул воды при температуре 65-130 ºС восстанавливает исходное значениепроводимости.В качестве второго фактора, приводящего к уменьшению проводимости пленок pc-Si:H,выдержанных в атмосфере воздуха, может выступать кислород, адсорбированный ваморфной фазе пленок pc-Si:H и приводящий к уменьшению их проводимости.Соответственно, десорбция кислорода при Т> 150 ºC должна восстанавливать исходноезначение проводимости.
Заметим, что в качестве второго фактора может также выступатьфотоиндуцированное уменьшение проводимости аморфной составляющей pc-Si:H (эффектСтеблера-Вронского) [152]. Уменьшение проводимости, вызванное эффектом СтеблераВронского, также должно исчезать после отжига пленок pc-Si:H при Т=160-180 ºС.Важно, что пленки, полученные PECVD методом, демонстрируют особенности,аналогичные показанным выше для пленок, полученным лазерной кристаллизацией a-Si:H.Дляпримеранарисунке30показанытемпературныезависимостидляпленокпротокристаллического кремния, полученных этими двумя методами.
Как видно, для обеихпленок наблюдается схожее немонотонное изменение проводимости в ходе отжига пленки,по сравнению с отожженным образцом. Это подтверждает, что данная черта являетсяхарактерной особенностью пленок, на поверхности которых сформировано малое количествонанокристаллов, независимо от метода получения таких пленок.
Напомним, что в PECVDметоде (как и при кристаллизации межзонным излучением) нанокристаллы формируются наповерхности пленки. Интересно отметить, что для пленок, так же содержащих малоеколичество нанокристаллов, но распределенных равномерно по объему материала,немонотонности изменения темновой проводимости не наблюдалось, а все изменениякачественно совпадали с изменениями в пленках a-Si:H (см. рис.
29). Такой структуройобладают пленки pm-Si:H (их свойства будут разобраны в главе 4) и пленки, полученные73лазерной кристаллизацией a-Si:H при использовании длины волны области прозрачностиматериала.Рис.30.Температурнаязависимостьтемновойпроводимостипленокпротокристаллического кремния, полученных лазерным облучением a-Si:H и PECVDметодом, в отожженном (заполненные символы) и неотожженном (пустые символы)состоянии.В дальнейшем все представленные в работе измерения проводимости,фотопроводимости и спектры поглощения, измеренные методом CPM, будут представленыдля отожженных пленок.3.4 Фотолюминесценция пленок pc-Si:HДля поиска отличительных особенностей пленок гидрогенизированного кремния спротокристаллической структурой мы исследовали фотолюминесценцию (ФЛ) пленок принизкой температуре (17 К).
Полученные спектры фотолюминесценции представлены нарисунке 31. Представленные спектры ФЛ хорошо аппроксимируются двумя гауссовымилиниями с центрами около 1,35 и 1,52 эВ (зеленые линии на рис. 31).74Рис. 31. Спектры ФЛ исследованных образцов, полученные при температуре 17 К.
Широкиелинии представляют экспериментальные данные, пунктирные зеленые линии –аппроксимацию пиками около 1,35 и 1,52 эВ, красные линии – сумма двух зеленых. ФЛобразца Rh_16 практически не заметна.Как видно из рисунка, спектр пленки a-Si:H представлен одной линией с центромоколо 1,35 эВ и шириной на полувысоте 0,3 эВ. Эту линию ФЛ принято связывать сизлучательной рекомбинацией электронов и дырок, захваченных на локализованныесостояния в хвостах зон в a-Si:H [153]. Напомним, что эти локализованные состоянияявляютсяследствиемнеупорядоченностиматрицыa-Si:H.Длядругихобразцовисследованной серии этот максимум так же наблюдается, однако его положение немногосмещается в область больших энергий квантов для образцов Rh_8 и Rh_11, что можетсвидетельствовать об уменьшении степени беспорядка в расположении атомов аморфнойматрицы. В тоже время для образцов Rh_5, Rh_8 и Rh_11 наблюдается дополнительныймаксимум с центром около 1,52 эВ, интенсивность которого возрастает с увеличением RH(или с предполагаемым увеличением доли кристаллической фазы в образцах).
Важноотметить, что данный максимум ФЛ исчезает при увеличении температуры от 17 до 150 К.По нашему предположению, наблюдаемая люминесценция связана с присутствиемнанокристаллов кремния в пленках. В работе [154] рассмотрена теоретическая модельизлучательной рекомбинации в нанокристаллах кремния, внедренных в аморфнуюкремниевую матрицу. Согласно этой работе, чтобы максимум ФЛ, связанной с квантовымограничением («конфайнментом») в нанокристаллах, находился на 1,52 эВ, размер75кремниевых нанокристаллов должен составлять ~3 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
