Диссертация (1105259), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Известно, что для a-Si:H толькооколо 1% внедренных атомов примеси являются электрически активными, в то время как дляnc-Si:H эта величина близка к 100%. Увеличение эффективности легирования ранеенаблюдали авторы [169] при облучении фемтосекундными лазерными импульсами пленок aSi:H, легированных фосфором. Интересно отметить, что поскольку для данной сериииспользоваласьдлинаволны515нм,товрезультателазерноймодификациислаболегированного бором a-Si:H формировалась структура из сильнолегированного nc-Si:H,на поверхности слаболегированного a-Si:H. Заметим, что при соответствующем подбореуровня легирования бором пленки a-Si:H, на основе таких структур может быть создангетеропереход, эффективно разделяющий носители заряда.Рис.
62. Температурные зависимости темновой проводимости пленок a-Si:H, легированныхбором и облученных фс лазерными импульсами (слева). Зависимость энергии активации ивеличины σd при комнатной температуре от плотности энергии лазерных импульсов(справа).Приведенные на рис. 60 данные не отражают ожидаемого различия пороговыхплотностей энергий лазерного облучения, необходимых для формирования материала свысокой темновой проводимостью. Поэтому были проведены измерения темновойпроводимости σd и фотопроводимости Δσph при комнатной температуре для пленок,облученных лазерными импульсами различных длин волн. Полученные результатыпредставлены на рисунке 63. На этом рисунке видно, что рост темновой проводимости117проявляется при тем меньших интенсивностях облучения, чем ниже длина волныиспользованного облучения.
Представленные кривые хорошо коррелируют со структурнымиданными, представленными на рис. 48.Рис. 63. Зависимости темновой проводимости и фотопроводимости пленок a-Si:H,облученных лазерными импульсами с длиной волны 515 (a), 640 (b) и 1030 нм (c), отплотности энергии в лазерном пучке.Под фотопроводимостью Δσph, как и в предыдущих главах, понимается разница междупроводимостью при освещении пленки слабым монохроматическим светом (1.8 эВ, 2мВт/см2) и в темноте. Как видно из рис.
63, фотопроводимость пленок изменяется врезультате лазерной модификации не так существенно, как σd. Тем не менее, для всехисследованных длин волн можно заметить тенденцию к уменьшению фотопроводимости вобластималыхплотностейэнергийлазерныхимпульсов(до«скачка»темновойпроводимости). По нашему мнению, это может быть связано с увеличением концентрациидефектов в пленках a-Si:H под действием лазерной обработки.
В частности, при нагревепленок гидрогенизированного кремния в результате лазерного облучения может происходитьэффузия водорода (выход атомов водорода из структуры пленок), что приведет к увеличениюконцентрации оборванных связей, непассивированных водородом. Увеличение концентрации118дефектов приводит к росту темпа рекомбинации носителей заряда, а, следовательно, куменьшению их времени жизни и уменьшению фотопроводимости материала.При увеличении плотности энергии лазерных импульсов, в случае облучения ИКимпульсами, наблюдается рост фотопроводимости, возможно, связанный с вкладомнанокристаллов кремния (см. рис.
63). В тоже время для пленок, облученных с длиной волны515 нм, с ростом энергии лазерных импульсов продолжается тенденция к медленному спадуфотопроводимости. Отметим, что в последнем случае сформированная кристаллическая фазане распределена равномерно по толщине пленки, но находится в приповерхностном слое. Повидимому, фотопроводимость таких пленок определяется аморфной фазой, а уменьшениеΔσph по мере увеличения интенсивности обработки следует отнести к росту концентрациидефектов в аморфной матрице и уменьшению толщины аморфного слоя за счеткристаллизации поверхностного слоя пленки.Для выяснения природы фотопроводимости в исследованных пленках были проведеныизмерения спектральных зависимостей коэффициента поглощенияв области краяпоглощения, проведенные при помощи метода постоянного фототока (CPM).
Измеренныеспектры CPM показаны на рисунке 64 для пленок, облученных лазерными импульсами сразличными плотностями энергии и длиной волны. Как видно из рисунка, спектры СРМисследованных пленок имели форму, характерную для a-Si:H, независимо от длины волны иплотности энергии лазерных импульсов. Подобная форма линий для двухфазных пленок свысокой долей кристаллической фазы указывает на то, что нанокристаллы кремния,сформированныеподдействиемфемтосекунднойлазернойобработки,невносятсущественного вклада в общую фотопроводимость пленок (а, следовательно, в поглощение,измеренное методом СРМ).
Единственное исключение к этому правилу составляет пленка,обработанная с плотностью лазерной энергии 155 мДж/см2 и λ=1030 нм. Для этой пленкинаблюдается увеличение поглощения в области 1,2-1,7 эВ, что свидетельствует о высокомвкладе кристаллической фазы в фотопроводимость образца. Отметим, что кристалличностьэтой пленки даже ниже, чем достигнутая в сериях с λ= 515 нм и 640 нм, однаконанокристаллы расположены во всем объеме пленки, а не только в приповерхностном слое.119Рис.
64. Спектральные зависимости коэффициента поглощения исследованных пленок,измеренные методом СРМ. Плотность энергии и длина волны лазерных импульсов,использованных для модификации пленок, указаны на рисунке.Важно отметить, что «дефектное плечо» на спектрах CPM пленок растет сувеличением плотности энергии лазерных импульсов, использованных для модификацииматериала, во всех исследованных сериях. Это указывает на образование дополнительныхдефектов при лазерной обработке a-Si:H. Увеличение концентрации дефектов может бытьпричиной наблюдаемого уменьшения фотопроводимости в области малых интенсивностейобработки. Заметим, что этот эффект менее выражен в случае малых длин волн лазерныхимпульсов, поскольку существенная часть аморфного материала вблизи подложки остаетсянезатронутой воздействием лазерного излучения.Таким образом, кристаллизацияпленокa-Si:Hфемтосекундными лазернымиимпульсами приводит к росту их темновой проводимости на несколько порядков величины.Изменение фотопроводимости менее ярко выражено, однако наблюдается тенденция к спадуфотопроводимости при малых интенсивностях лазерной обработки.
Спектры СРМисследованных пленок указывают на малость вклада кристаллизованной части пленок в ихполную фотопроводимость и рост концентрации дефектов в пленках после лазернойобработки. Полученные результаты могут объясняться лазерно-индуцированным выходом120атомовводородаизструктурыгидрогенизированныхпленок.Проверкеданногопредположения посвящен следующий раздел диссертационной работы.5.3.1.1 Исследование изменения концентрации водорода в пленках a-Si:Hпод действием фемтосекундной лазерной обработкиДанныйподразделпосвященизучениювлиянияфемтосекундноголазерногооблучения пленок a-Si:H на концентрацию водорода в материале.
Напомним, что присутствиенекоторой концентрации водорода в пленках гидрогенизированного кремния являетсянеобходимым условием для создания материалов приборного качества. Это связано с тем,что водород пассивирует оборванные связи (ОС), которые присутствуют в аморфной матрицеинаграницахнанокристалловиявляютсяэлектрическиактивнымидефектами.Энергетические уровни, связанные с ОС, расположены около середины щели подвижности aSi:H, и представляют наиболее эффективный канал для рекомбинации свободных носителей вматериале в диапазоне комнатных температур. В работе [170] было показано, чтогидрогенизация пленок аморфного кремния позволяет уменьшить концентрацию оборванныхсвязей.Поэтомузначительныйинтереспредставляютисследованиявлиянияфемтосекундного лазерного облучения на концентрацию водорода, содержащегося вмодифицированном материале.В настоящее время существуют прямые методы измерения концентрации водорода впленках гидрогенизированного кремния [171]: анализ ядерных реакций, масс-спектроскопиявторичных ионов, рассеяние α-частиц, а так же эксперименты по эффузии водорода сконтролируемым давлением.
Все эти методы требуют сложной экспериментальной техники иприводят к разрушению исследуемого образца. В отличие от них, широко распространенныеоптические методы позволяют проводить экспресс-анализ без повреждения материала.Однако они так же не лишены недостатков. Один из оптических методов исследованияконцентрация водорода в пленках a-Si:H основан на измерении оптической ширины щелиподвижности (Eg).
Этот метод позволяет анализировать наличие водорода в пленках,сформированных на стеклянных подложках. Известно, что Eg приблизительно линейнозависит от концентрации водорода в пленках [171]. Однако вычисление значения Eg поспектрам поглощения a-Si:H приводит к большим неточностям в следствие сложнойплотности состояний в середине щели подвижности a-Si:H. Отметим, что использованиеэтого метода ограничивает выбор подложек условием прозрачности в видимом диапазоне, а121так же не допускает использование слишком тонких пленок, которые не приводят кпоявлению значительного поглощения в области края поглощения.Наиболее используемым на данный момент способом определения концентрацииводорода в пленках гидрогенизированного кремния является анализ спектров поглощения винфракрасном (ИК) диапазоне [172]. Этот метод позволяет измерять концентрацию водородас относительной погрешностью около 10% при учете влияния интерференционных эффектов[172].
Существенным недостатком этого метода для наших исследований являетсянеобходимость использования прозрачных в ИК диапазоне подложек. Это, в частности,означает, что данный метод не может быть использован определения концентрации водородав пленках гидрогенизированного кремния, осажденных на кварцевые стекла, которыеиспользовались для измерения электрических и фотоэлектрических свойств лазерномодифицированных пленок a-Si:H.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
