Диссертация (1105259), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Длялазерно-модифицированной пленки интенсивность этого пика значительно падает, в тожевремя появляется второй максимум с центральной энергией 104 эВ (сплошная линия на рис.58). Из литературных данных известно, что энергия связи Si 2р электронов в объемномкристаллическом кремнии равна 99.5 эВ, а энергия связи Si 2р электронов в матрице SiO2приблизительно составляет 104 эВ [166]. Чтобы избежать в исследованиях учетаестественного оксидного слоя, с поверхности необлученной пленки a-Si:H ионами Ar былстравлен слой толщиной в 4 нм. После этого анализ спектра РФЭС необлученной пленкипоказал, что она состоит только из кремния. В то же время, содержание SiO2 в пленке резковозрастает при ее облучении с W ≥ 260 мДж/см2.Анализ спектров РФЭС для пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами W ≥ 260 мДж/см2, показал, что более 90 % атомов кремния окисляются привоздействии на них лазерными импульсами на воздухе.
На рис. 59 представлена полученная112из анализа спектров РФЭС зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния впленках от плотности энергии лазерных импульсов. Представленные данные хорошосогласуются с обнаруженным резким изменением морфологии поверхности исследованныхобразцов.Дополнительное ионное травление облученных пленок a-Si:H показало, чтопроцентный состав SiO2 практически не изменяется по крайней мере до глубины в 50 нм.
Направой части рис. 59 представлена зависимость процентного содержания неокисленногокремния в облученной пленке a-Si:H от глубины травления. Как видно из рисунка, вприповерхностной области процентное содержание кремния на 0.5 – 1 % меньше, чем наглубине 30 – 60 нм. Такое различие, по-видимому, связано с наличием на поверхностинеконтролируемого органической загрязнения, процентное содержание которого непревышало 1 %.Такимобразом,болеесветлыепленки,сформированныеврезультатефемтосекундного лазерного облучения пленок a-Si:H с интенсивностью ,выше 260 мДж/см2,являются результатом не абляции (удаления) кремния, а окисления материала.Причина окисления пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами на воздухе, по-видимому, связана с плавлением материала.
При этом процессдиффузии кислорода вглубь образца ускоряется благодаря тому, что коэффициент диффузиикислорода в жидкой фазе кремния на 6 порядков выше, чем в кристаллической [167]. Помимоэтого при образовании субмикронных шероховатостей существенно возрастает площадьповерхности пленки.При плотности энергии лазерных импульсов W около 500 мДж/см2 начинается процессабляции пленки a-Si:H за счет испарения материала. По-видимому, в этой точке температураразогретой лазерными импульсами пленки достигла температуры кипения кремния.Подводя итог всего раздела, напомним, что были продемонстрированы различныеструктурные модификации пленок a-Si:H, подвергнутых обработке фемтосекунднымилазерными импульсами.
А именно, была показана возможность кристаллизации пленок приодновременном текстурировании их поверхностей. Объемная доля кристаллическихвключений и их распределение по толщине пленок контролируются длиной волны иплотностью энергии лазерных импульсов. Морфология поверхности пленок определяетсятеми же параметрами, а так же, в некоторых случаях, состоянием поляризации лазерного113пучка. Был продемонстрирован эффект отслоения и удаления участков пленок a-Si:H при ихоблучении; дальнейшие исследования проводились на образцах, в которых данного эффектане наблюдалось. Так же при высоких плотностях лазерной энергии, облучение a-Si:Hприводило к формированию структур, состоящих из SiO2 матрицы с включением кремниевыхкластеров. В следующем разделе будут разобраны электрические, фотоэлектрические иоптические свойства данных структур, при этом акцент в работе сделан на двухфазныхпленках a-Si:H/nc-Si:H, имеющих большие перспективы в области создания солнечныхэлементов.5.3 Электрические, фотоэлектрические и оптическиесвойства пленок a-Si:H, облученных фемтосекунднымилазерными импульсами5.3.1 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойствапленок a-Si:H, кристаллизованных фемтосекундными лазернымиимпульсамиВызванные фемтосекундной лазерной обработкой структурные изменения в пленкахa-Si:Hсущественныммодифицированногообразомматериала.определяютВданномизменениеразделесвойствбудутполученногопроанализированыфотоэлектрические, электрические и оптические свойства пленок с двухфазной структурой aSi:H/nc-Si:H, полученных с помощью лазерной кристаллизации, для которых не наблюдалосьэффектов спалляции и оксидации.Для проведения электрических и фотоэлектрических измерений на поверхностьпленок напылялись контакты из алюминия.
Контакты располагались параллельно к полосамсканирования лазерного пучка. Перед измерениями образцы помещались в вакуумныйкриостат с остаточным давлением паров 10-3 Па и отжигались при температуре 170 °С втечение 5 минут. Отжиг образцов позволял избавиться от влияния атмосферы воздуха иметастабильных оборванных связей (эффекта Стеблера-Вронского [22]).Рост объемной доли кристаллической фазы в структуре пленок, определенный припомощи спектроскопии КРС, приводил к резкому росту темновой проводимости пленок σ d.На рисунке 60 приведены значения темновой проводимости пленок в зависимости от доликристаллической фазы в их структуре.
Различными цветами показаны серии пленок,модифицированных в различных условиях, в каждой серии варьировалась только плотностьэнергии лазерных импульсов. На представленном графике хорошо видно, что независимо от114условий обработки, величина порогового значения fC, при которой наблюдался резкий ростσd, лежит в диапазоне 18-35 %. Рост темновой проводимости связан с появлением междуэлектродами связанного пути для электронов и дырок, образованного соприкасающимисянанокристаллами кремния. Хорошо известно, что подвижность носителей заряда внанокристаллическом кремнии существенно выше, чем в a-Si:H [168]. Отметим, что расчеты,проведенные при помощи теории перколяции, предсказывают образование перколяционногопути при доле кристаллической фазы превышающей 16% для нанокристаллов кремния,случайно распределенных в аморфной матрице.Рис. 60.
Зависимость темновой проводимости нелегированных пленок a-Si:H, облученныхлазерными импульсами, от доли содержащихся в них кристаллической фазы. Различнымицветами показаны серии пленок, отличающиеся по условиям получения.На рисунке 61 показано влияние плотности энергии лазерных импульсов натемпературные зависимости темновой проводимости исследованных пленок. В качествепримера приведены кривые для пленок, облученных лазерным излучением с λ= 640 нм.
Каквидно из рисунка, все зависимости имеют активационный характер. Энергия активацииизменяется от 0,8 эВ (для пленок, облученных с низкой плотностью лазерной энергии) до 0,6эВ (в случае, когда плотность энергии превышает порог кристаллизации). Энергия активациитемновой проводимости указывает на положение уровня Ферми относительно краяближайшей зоны. Уменьшение величины энергии активации, так же как и резкое увеличениевеличины темновой проводимости, могут быть объяснены образованием перколляционногопутимежду контактами,образованногонанокристалламикремния.Температурныезависимости σd пленок, облученных с другими длинами волн, имеют характер, аналогичный115показанному на рис. 61.
Следует отметить, что для вычисления проводимости намииспользовалось полное значение толщины пленок, что может приводить к ошибкам вопределении абсолютной величины проводимости пленок с двухслойной структурой.Рис. 61. Температурные зависимости темновой проводимости пленок a-Si:H, облученныхлазерными импульсами с различной плотностью энергии и длиной волны 640 нм.Помимо собственных пленок a-Si:H нами так же исследовалось влияние лазернойкристаллизации фемтосекундными лазерными импульсами пленок a-Si:H, легированныхбором. Соотношение концентраций бор-содержащего газа (диборана) и моносилана вреакционной камере при получении пленок составляло [B2H6]/[SiH4]= 10 -4.
Для модификациипленок использовались лазерные импульсы с длиной волны 515 нм, длительностью 300 фс иплотностью энергии 16-64 Дж/см2.Введение легирующей примеси привело к смещению уровня Ферми и изменениюпроводимости пленок. На рисунке 62 показаны температурные зависимости темновойпроводимости для серии лазерно-модифицированных пленок a-Si:H, легированных бором. Направой части рисунка приведена зависимость величины (при комнатной температуре) иэнергии активации темновой проводимости от плотности энергии лазерных импульсов,использованных для обработки пленок. Так же как и для нелегированных пленок,наблюдается резкое изменение указанных характеристик, при образовании кристаллическогоканала между контактами.
Представляет интерес наблюдаемое значительное уменьшениеэнергии активации ЕА легированных пленок после их облучения. Значение энергииактивации температурной зависимости проводимости для необработанной пленки a-Si:H,легированной бором, составляло EA= 0,5 эВ (напомним, что у нелегированного материала116EA= 0,8 эВ). В тоже время для легированных кристаллизованных пленок, с долейкристаллической фазы 45 и 65%, значения энергии активации не превосходят 0,1 эВ(использовались плотности энергии 48 и 64 мДж/см2, соответственно). Полученное малоезначение ЕА свидетельствует о высокой степени легирования кристаллического материала.Результаты можно объяснить, принимая во внимание различие в эффективности легированияаморфного и нанокристаллического кремния атомами бора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
