Диссертация (1105259), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В разделе, посвященном методикеанализа спектров КРС, упоминалось о возможности определения среднего размерананокристаллов в пленках. Для наших пленок средний диаметр нанокристаллов составляет5,5 нм (для пленки R_11). Различие между результатами по ФЛ и спектрам КРС можнообъяснить двумя способами. Первый основан на различной чувствительности методов.Предполагается, что в размерах нанокристаллов в пленках присутствует некоторый разброс.При этом большие нанокристаллы будут давать больший вклад в сигнал рамановскогорассеяния, в то время как фотолюминесценция более чувствительна к кристаллитам малыхразмеров.
Другое объяснение наблюдаемых результатов может быть дано в предположении,что за ФЛ около 1,52 эВ ответственна рекомбинация носителей заряда не в самихнанокристаллах, но через состояния дефектов на границе между нанокристаллом и аморфнойматрицей.При дальнейшем увеличении RH фотолюминесценция практически полностьюисчезает, что, по-видимому, связано с возникновением каналовбезызлучательнойрекомбинации, как результат образования связанного перколляционного пути для всехкремниевых нанокристаллов.ВыводыВ результате систематических исследований пленок протокристаллического кремниябыли продемонстрированы следующие эффекты:1) смещение пика, соответствующего фононным колебаниям в аморфной фазе, на спектрахкомбинационного рассеяния света;2) появление эффекта температурного гашения фотопроводимости при освещении пленокизлучением с энергией кванта, меньшей ширины щели подвижности a-Si:H;3) уменьшение поглощения, измеренного методом постоянного фототока, в области энергийквантов 1.2 - 1.5 эВ после освещения пленок межзонным монохроматическим светом;4) возникновение максимума фотолюминесценции при hν=1,52 эВ.Наблюдаемые эффекты объяснены в работе наличием нанокристаллических включений ваморфной кремниевой матрице.76Глава 4.
Полиморфныйгидрогенизированный кремнийЕще одним новым материалом, на основе аморфного гидрогенизированного кремния свключениеммалойдоликремниевыхнанокристаллов,является,такназываемый,полиморфный кремний (pm-Si:H). Как отмечено в литературном обзоре, в отличие от pc-Si:H,свойства которого описаны в предыдущей главе, предполагается, что нанокристаллы вполиморфном кремнии распределены однородно по всему объему пленки, так какформируются в газовой фазе при осаждении материала, а не на поверхности растущейпленки. Из анализа литературы следует, что pm-Si:H обладает улучшенными стабильностьюи фотоэлектрическими характеристиками, по сравнению с а-Si:H.
Однако, свойстваматериала и их связь с особенностями структуры пленок на данный момент далеки отпонимания. Кроме того, в литературе отсутствуют данные о некоторых фотоэлектрическихизмерениях, например, о температурных зависимостях фотопроводимости пленок. Поэтому вданной главе было проведено комплексное изучение оптических и фотоэлектрическихсвойств полиморфного кремния и их связи со структурой пленок и условиями их осаждения.4.1 Исследованные образцыПленки, толщиной 0.2-1,27 мкм, осаждались в Ecole Politechnique (Франция) методомразложения смеси моносилана и водорода в плазме высокочастотного тлеющего разряда(PECVD метод).
Параметры осаждения и условные обозначения, которые будут вдальнейшем использованы в данном разделе для обозначения исследованных образцов,представлены в таблице 1. Как следует из таблицы, нами исследовались серии образцов,полученных при различном давлении газов в реакционной камере, различной температурекварцевых подложек, толщине пленок, а так же серии образцов, полученные припостепенном изменении состава газовой смеси.
В графе TMB указана концентрация борсодержащего газа в реакционной камере. В последнем столбце («серия») для удобства указанпараметр, влияние которого изучалось на данных пленках; сам параметр выделен в таблицежирным шрифтом. Образец ‘best’ осаждался в условиях, которые, по мнению технологов изEcole Politechnique, являются оптимальными для фотоэлектрических приложений.
Всепредставленные в таблице и исследованные нами образцы были получены в технологическихусловиях, соответствующих осаждению полиморфного кремния (то есть формированию77нанокристаллов/кластеров кремния в газовой фазе), поэтому в дальнейшем будутобозначаться pm-Si:H. Так же для сравнения, нами был исследован образец, полученный втой же лаборатории, что и пленки pm-Si:H, но в условиях соответствующих осаждению«стандартного» a-Si:H.УсловноеобозначениеТолщина,нмСкоростьДавление,RFосаждения, H2 SiH4 TMB SiF4мТоррA/cT S,0серияCSiF4_546517,295455200080240SiF4_1536013,4953515200080240SiF4_1.553017,69548.51.5200080240Ts_2102156,420040335030210Ts_1752156,220040335030175Ts_2402155,120040335030240Ts_2752155,720040335030275Pr_3824215720040382430210Pr_28992154,920040289930210Pr_19402103,720040194030210Pr_52322106,520040523230210Th_34034011,3100500,5200030200Th_5305309,8100500,5200030200Th_80080010,2100500,5200030220Th_114011409,5100500,5200030200Th_1270127010,6100500,5200030220SiF4ТемператураподложкиДавлениегазовойсмесиТолщинапленок78best21510,7a-Si:H5650,7150400.550500030275451175Таблица 1.
Параметры получения и условные обозначения исследованных образцов.4.2 Общие особенности исследованных пленок pm-Si:HВ данном разделе будут описаны свойства, характерные для всех исследованныхобразцов pm-Si:H. В последующих разделах будет показано влияние варьированияопределенных технологических параметров на структуру и свойства материала.В первую очередь охарактеризуем структуру материала при помощи спектровкомбинационного рассеяния света.
Для всех образцов спектры КРС имели схожую форму,характерную для a-Si:H. В качестве примера на рисунке 32 представлен спектр образца ‘best’.Как видно из рисунка, в спектре КРС pm-Si:H пика с максимумом около 520 см-1,соответствующего кристаллической фазе, не наблюдалось. Однако, как было отмечено впредыдущей главе, этот результат не следует интерпретировать, как свидетельствоотсутствия нанокристаллов в структуре пленки, так как указанный пик проявляется толькопри объемной доле кристаллической фазы порядка нескольких процентов. Так же отсутствиезаметного кристаллического пика на рамановских спектрах pm-Si:H может объяснятьсямалым размеров кристаллитов (1-3 нм). Отдельно отметим, что для корректнойаппроксимации измеренных спектров КРС необходимо ввести пик с максимумом около 500см-1 в дополнение к широкому пику с максимумом около 480 см-1, соответствующему ТОфононной моде в a-Si:H (хотя он и не выделяются в явном виде на измеренных спектрах).
Какотмечалось в литературном обзоре, подобные спектры характерны для pm-Si:H и могутобъясняться наличием кристаллитов малого размера или «промежуточным» порядком вструктуре образцов.Таким образом, исходя из спектров комбинационного рассеяния света, нельзяопределенно подтвердить или опровергнуть присутствие малой доли нанокристаллов ваморфной матрице исследованных пленок. В тоже время, наличие нанокристаллов можетнаблюдатьсяна снимках,полученных припомощипросвечивающейэлектронноймикроскопии (ПЭМ). ПЭМ снимки, полученные для образцов pr_1940 и Ts_175,представлены на рисунке 33. Как видно из рисунка, в структуре образца pr_1940присутствуют нанокристаллы размером 2-5 нм, в то время как для большинства другихисследованных образцов pm-Si:H нанокристаллы не проявляются на ПЭМ снимках (как,79например, для образца Ts_175 на рис.
33). Этот результат, однако, не свидетельствуетоднозначно об отсутствии кристаллитов в остальных пленках, но может быть связан с ихмалым размером. Авторы работы [84] отмечают, что нанокристаллические включения,которые проявляются на ПЭМ снимках pm-Si:H, являются небольшой частью от общегообъема более мелких упорядоченных включений.Рис. 32. Спектр комбинационного рассеяния света, полученный для образца “best” и егоразложение на фононные моды.Рис. 33. Снимки образцов Ts_175 (слева) и Pr_1940 (справа), полученные при помощипросвечивающей электронной микроскопии.Рассмотрим спектральные зависимости коэффициента поглощения αСРМ, полученныеметодом CPM для исследованных пленок pm-Si:H.
За исключением нескольких образцов, окоторых будет сказано позже, все спектральные зависимости αСРМ имели форму, характернуюдля a-Si:H. В качестве примера на рис. 34 представлена спектральная зависимость80коэффициента поглощения, нормированная на значение при hυ=1.8 эВ, для образца ‘best’. Наэтом же рисунке для сравнения представлена спектральная зависимость, полученная дляобразца a-Si:H. Наблюдаемые на спектрах локальные максимумы и минимумы возникаютблагодаря интерференции света в тонких пленках, поэтому их положение связано с толщинойпленки, но не с ее структурой. Как видно из рисунка 34, αCPM для образца ‘best’, полученногопри большой скорости осаждения, близок по значениям к αCPM аморфного кремния,полученного в той же лаборатории, что и пленки pm-Si:H, при обычных условиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
