Диссертация (1105259), страница 19
Текст из файла (страница 19)
44. Микрофотография ПЭМ и электронная дифрактограмма пленки Th_340.Электрические и фотоэлектрические характеристики серии пленок с различнойтолщиной представлены на рисунке 45. Детали температурных зависимостей темновойпроводимости и фотопроводимости, спектров поглощения, измеренных методом постоянного93фототока до и после их длительного освещения белым светом, обсуждались подробно впредыдущих разделах. Исходя из представленных на рис.
45 результатов можно утверждать,что толщина пленок pm-Si:H на влияет на положение уровня Ферми, величину темновойпроводимости и фотопроводимости, концентрацию дефектов в пленках и деградационнуюстабильность их параметров, по крайней мере в интервале толщин 300-1270 нм.Рис.
45. Температурные зависимости темновой (a) и фотопроводимости (b) и спектральныезависимости коэффициента поглощения, измеренные методом CPM в отожженномсостоянии (c) и после длительного освещения (d), для пленок серии с различной толщиной.ВыводыВ результате систематических исследований пленок полиморфного кремниябыло показано, что:1) Пленки pm-Si:H содержат кремниевые нанокристаллы, концентрациякоторых в аморфной матрице зависит от условий получения pm-Si:H, вчастности, давления газов в реакционной камере.2) Изменение толщины пленок pm-Si:H в пределах от 300 до 1270 нм не влияетна их электрические и фотоэлектрические характеристики, что свидетельствуетоб однородной по толщине структуре пленок pm-Si:H.943) На спектрах ЭПР исследованных пленок pm-Si:H обнаружен сигнал с gфактором1,998.Данныйсигналможетбытьсвязансэлектронами,захваченными на состояния на границе нанокристаллов, находящихся ваморфной матрице.4) Появление малой доли нанокристаллических включений в аморфной матрицеpm-Si:H, не приводящее к существенному изменению рамановского спектра,вызывает увеличение коэффициента поглощения, измеренного методом CPM,вблизи hν =1,4 эВ.5) Пленки pm-Si:H, полученные при высоких скоростях роста, обладают малойконцентрацией дефектов и высокой фоточувствительностью, сравнимыми саналогичными параметрами «стандартного» a-Si:H.6) Увеличение температуры подложки при получении pm-Si:H приводило куменьшению эффекта фотоиндуцированной деградации формируемых пленок.Этот результат может быть связан с уменьшением концентрации атомовводорода в структуре пленок, полученных при более высокой температуре.95Глава 5.
Модификация пленок a-Si:Hфемтосекундными лазерными импульсамиКак отмечалось в литературном обзоре, фемтосекундная лазерная кристаллизацияпленок a-Si:H является перспективной технологией создания нанокристаллическогогидрогенизированного кремния, интересной как с научной, так и с практической точкизрения.
В большинстве работ, посвященных фемтосекундному лазерному отжигу пленок aSi:H, изучаются структурные модификации материала. В тоже время, оптические ифотоэлектрические свойства материала изучены в существенно меньшей степени. Этисвойства, однако, представляют большой интерес в связи с перспективой использованиятехнологии фемтосекундной лазерной кристаллизации для создания оптоэлектронныхприборов, в том числе солнечных элементов.Рис. 46.
Фотография пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами.Цифрами 1-14 обозначены области с различной интенсивностью обработки. Шкала нафотографии в сантиметрах.Изучению свойств пленок a-Si:H, модифицированных фемтосекундным лазернымоблучением посвящена данная глава диссертационной работы. Наши исследования показали,что варьирование условий получения и обработки пленок a-Si:H лазерными импульсамипозволяют получать материалы с принципиально различной структурой. Изменениеструктуры проявляется на изменении внешнего вида пленок, обработанных лазернымоблучением.
На рисунке 46 в качестве примера представлена фотография пленок a-Si:H,облученных фемтосекундными лазерными импульсами различной интенсивности в одном изнаших экспериментов (длина волны лазерного излучения 515 нм, мощность лазерного пучка0-600 мВт, скорость сканирования 1 мм/с). Номерами 1-14 на рисунке отмечены области,обработанные с различной мощностью лазерных импульсов, которая увеличивается с ростом96номера области.
Размеры облученных областей прямоугольной формы составляли 5,5 мм×3мм, что позволяло напылять на поверхность пленок алюминиевые электроды дляпоследующих электрических и фотоэлектрических измерений. Светло-коричневые области(область номер 1 и промежутки между обработанными участками) представляют собойнеоблученную (исходную) пленку a-Si:H. При помощи спектроскопии комбинационногорассеяния света (КРС) было обнаружено, что области 2-8 имеют двухфазную структуру, тоесть состоят из аморфного и нанокристаллического кремния с различной объемной долейкристаллической фазы. Появление nc-Si:H связано с частичной кристаллизацией пленок.Такие пленки, с нашей точки зрения, обладают большой перспективой для применения всолнечных элементах.
Как будет показано ниже, наблюдаемое изменение цвета пленок можетбыть вызвано тремя факторами: i) частичной кристаллизацией; ii) дегидрогенизацией(выходом из материала атомов водорода); iii) текстурированием поверхности пленок. Придальнейшем увеличении интенсивности лазерной обработки наблюдается частичное (области8-9) или полное (область 10) отслаивание и удаление материала пленки с подложки. Влитературе этот эффект получил название спалляция [162]. Так как лазерная обработкапленок производилась в атмосфере воздуха, использование высоких интенсивностейлазерного излучения приводило к оксидации пленок (области 13-14). При этом пленкистановятся более шероховатыми и полупрозрачными на вид. По-видимому, эффектоксидациипленкипроисходит,когдалазерныеимпульсырасплавляютматериал.Коэффициент диффузии кислорода в жидком кремнии на несколько порядков выше, посравнению коэффициентом диффузии кислорода в твердом состоянии, что обуславливаетвысокую эффективность оксидации расплавленного кремния.
В случае длины волныизлучения, лежащей в области прозрачности материала (1030 нм в наших экспериментах), ивысоких (но недостаточных для оксидации) энергий лазерного пучка, наблюдалосьформирование периодических поверхностных структур, которые приводили к высокойполяризационной чувствительности полученного материала.В следующих разделах будут подробно рассмотрены структура и свойства материалов,образующихся при обработке пленок a-Si:H лазерными импульсами с различной плотностьюэнергии. Для простоты изложения, в работе сохранен порядок рассмотрения структур,предложенный выше: 1) кристаллизация/выход водорода; 2) спалляция; 3) периодическиеповерхностные структуры, чувствительные к поляризации падающего света; 4) оксидация.Отметим, что строгое разделение границ значений плотности лазерной энергии, необходимой97для достижения определенного типа структурной модификации, затруднено, вследствиебольшого количества параметров, характеризующих исходные пленки и условия их лазернойобработки.
Однако все наблюдаемые эффекты являются воспроизводимыми, и всеизложенные ниже свойства являются строгими, по крайней мере, с качественной точкизрения.Особенное внимание в работе уделено пленкам с двухфазной структурой a-Si:H/ncSi:H (обработанных в области промежуточных плотностей энергии лазерных импульсов), длякоторыхненаблюдалосьразрушениеилиоксидацияматериала.Такиепленкифоточувствительны и имеют большие перспективы применения в оптоэлектронике. Нашиисследования показали, что существенное влияние на электрические и фотоэлектрическиесвойства данных пленок оказывает изменение концентрации водорода в материале поддействием лазерной обработки. Исследованию данного вопроса посвящен последний разделглавы.
В этом разделе так же будут описаны экспериментальные процедуры, потенциальноспособные увеличить концентрацию водорода и, следовательно, улучшить качествоматериала для оптоэлектронных приложений.5.1 Исследованные образцыПлёнки аморфного гидрогенизированного кремния толщиной 300 нм были полученыметодом плазмохимического осаждения из газовой фазы при разложении смеси моносилана(SiH4) и аргона (Ar) в плазме высокочастотного тлеющего разряда (PECVD) со скоростью 2Å/с, при температуре кварцевой подложки 120-250 оС.
Объемное соотношение газов вреакционной камере составляло 25% SiH4 + 75% Ar. Для получения легированных боромпленок a-Si:H в газовую смесь добавлялся диборан в объемном соотношении с моносиланом[B2H6]/[SiH4]= 10 -4.Обработка пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами осуществляласьизлучением лазерной системы Yb:KGW с частотой повторения импульсов 100-200 кГц, идлиной волны излучения 515, 640 или 1030 нм. Длительность импульса для различныхпленок составляла от 60 фс до 1 пс. Диаметр лазерного пучка в сечении пленки менялся от 15до 100 мкм в зависимости от использованной фокусировки и интенсивности лазерногоизлучения. Нами использовался сканирующий метод обработки поверхности a-Si:H.Скорость сканирования составляла 1-5 мм/с. Расстояние между центрами соседних полоссканирования варьировалось таким образом, что перекрытие между пучками составляло от 0до 90 %.
Подбор величины перекрытия важен для повышения однородности производимой98излучением структурной модификации. Для получения различных типов модификацииструктуры плотность энергии лазерных импульсов варьировалась в широких пределах. Внекоторых случаях для увеличения скорости обработки был использован пространственныймодуляторсвета,неперекрывающихсяпозволяющийпучков,приразделитьлазерныйсканированиипучоккоторымина10параллельныхпроводиласьобработкаисследуемой пленки a-Si:H.5.2 Структура пленок a-Si:H, модифицированныхфемтосекундным лазерным излучением5.2.1 Кристаллизация пленок a-Si:H фемтосекундным лазернымизлучениемСтруктура пленок гидрогенизированного кремния исследовалась при помощиспектроскопии комбинационного рассеяния света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
