Диссертация (1105259), страница 25
Текст из файла (страница 25)
69). Отметим, чтоизменение относительной концентрации водорода происходит практически независимо отего исходного содержания в пленке.127Рис. 70. Область спектра КРС, соответствующая колебательным модам Si−H связей дляисходных пленок a-Si:H, полученных при TS = 130 и 240 °С. На вставке показано изменениеотносительной концентрации водорода в пленках при увеличении плотности энергиииспользуемых лазерных импульсов.Структурные изменения, вызванные обработкой пленок a-Si:H фемтосекунднымилазерными импульсами, привели к изменению оптических и фотоэлектрических свойствпленок.
На рис. 71 показано изменение темновой и фотопроводимости пленок при комнатнойтемпературе при увеличении плотности энергии лазерных импульсов, использованных дляоблучения образцов. Как видно из рисунка, σd пленок, полученных как при низких, так и привысоких температурах подложки, увеличивается примерно на три порядка, при этом резкийрост темновой проводимости, описанный ранее, происходит при меньших интенсивностяхобработки для пленки, осажденной при TS= 240 °С.
Это коррелирует с более раним ростомдоли кристаллической фазы в пленке.Изменение фотопроводимости пленок после лазерной обработки демонстрируютчерты, аналогичные описанным в разделе о фотоэлектрических свойствах лазерномодифицированных пленок: в частности, спад фотопроводимости, связанный с ростомконцентрации дефектов в области малых интенсивностей обработки.
Важно отметить здесь,что рост концентрации водорода в исходном материале не приводит к увеличениюфотопроводимости пленки после ее лазерной обработки. Наоборот, можно заметить болеенизкие значения фотопроводимости пленки, осажденной при TS= 130 °С, при всехиспользованных плотностях лазерной энергии.128Рис. 71. Темновая проводимость и фотопроводимость в пленках, осажденных притемпературах подложки 130 и 240 oC, как функции от плотности энергии лазерныхимпульсов, использованных для обработки пленок.Рис. 72.
Нормированные спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренныеметодом СРМ, для пленок, осажденных при температурах TS= 240 °С (a) и TS= 130 °С (b) иоблученных фемтосекундными лазерными импульсами. Плотность энергии лазерныхимпульсов, использованных для обработки пленок, указана на рисунке.Выше отмечалось, что измерение спектральных зависимостей коэффициентапоглощенияметодомпостоянногофототокаможетпозволитьпрояснитьприродуфотоэлектрических свойств двухфазных пленок. На рис.
72 представлены спектры СРМ,нормированные на значение поглощения при энергии кванта падающего света hν=1.8 эВ, дляпленок, осажденных при температурах T S= 240 °С и TS= 130 °С и обработанных лазернымизлучением с различной плотностью энергии. У пленок, полученных при низкойтемпературе, форма спектра существенно отличается даже для исходной пленки. ОтношениеαCPM при энергии кванта 1.2 эВ к αCPM при энергии кванта 1.8 эВ характеризует129концентрацию дефектов в образце.
Из сравнения левой и правой частей рис. 72 видно, чтопоглощение в «дефектной» области почти на порядок выше в случае низкой TS. Такимобразом понижение температуры подложки приводит не только к росту концентрацииводорода, но и к росту концентрации дефектов. По-видимому, последний отмеченный факторболее существенно сказывается на фотопроводимости пленок, приводя к ее уменьшению (см.рис. 71). Наконец отметим, что лазерная кристаллизация не изменяет вида СРМ спектровпленок, полученных при низких температурах, пока доля кристаллической фазы в них недостигает 70%.
Этот результат качественно совпадает с результатом, полученным дляпленок, осажденных при TS= 240 °С. Это означает, что увеличение содержания водорода висходных пленках a-Si:H не позволяет удержать в лазерно-модифицированных пленкахконцентрацию водорода на уровне, необходимом для получения пленок nc-Si:H приборногокачества.Подводя итог разделу, напомним, что концентрация водорода в исходных пленкахаморфного гидрогенизированного кремния влияет на динамику процесса фемтосекунднойлазернойкристаллизацииисвойстваполученногоматериала.Однакоповышениеконцентрации водорода в исходных пленках не позволяет добиться существенногоувеличения содержания водорода в пленках, прошедших процесс лазерной обработки.5.3.1.3 Пост-гидрогенизация пленок a-Si:H, кристаллизованныхфемтосекундными лазерными импульсамиВ данном разделе будут рассмотрены свойства пленок аморфного кремния,прошедших обработку лазерными импульсами и процедуру пост-гидрогенизации вводородной плазме.
Целью данной работы, так же как и в предыдущем пункте, был поискпроцедуры,котораяпозволитвосстановитьсодержаниеводородавлазерно-модифицированных пленках и, как следствие, снизить концентрацию дефектов в пленках иувеличить их фоточувствительность.В качестве контрольной серии здесь будет использоваться пленка, полученная притемпературе 240 ºС, которая была описана в предыдущем пункте. В тех же условия былаизготовлена серия пленок, которые после лазерной обработки помещались в водороднуюплазму на 1 час при температуре 240 ºС.130На рисунке 73 представлена эволюция пика около 625 см-1 на спектре КРС,соответствующего колебаниям Si-H связей, при увеличении интенсивности лазернойобработки.
Как видно из рисунка, концентрация водорода в обеих исследованных серияхуменьшается с ростом плотности энергии лазерных импульсов. Однако процедура постгидрогенизации позволяет существенно замедлить динамику выхода водорода из пленок.Напомним, что приведенная процедура оценки содержания водорода в пленках дает толькокачественный анализ картины.Рис. 73. Часть спектров КРС, соответствующая колебаниям Si-H связей, в пленках a-Si:H,обработанных фс лазерными импульсами с указанными на рисунке плотностями энергии.Левая часть рисунка соответствует контрольной серии образцов (до гидрогенизации),правая – серии, прошедшей пост-гидрогенизацию.Рассмотрим влияние частичного восстановления концентрации водорода в пленках наих фотоэлектрические свойства.
На рисунке 74 представлены спектральные зависимостикоэффициентапоглощенияα(hυ)висследованныхпленках,измеренныеметодомпостоянного фототока. Как видно из рисунка, рост интенсивности лазерной обработки поразномусказываетсянаформеспектральныхзависимостейвконтрольнойигидрогенизированной сериях. В контрольной серии рост поглощения в области 1.2 эВ< hυ<1.6 эВ (связанный, по нашему мнению, с вкладом кристаллической фазы в фотопроводимостьматериала) наблюдается только для пленки, обработанной с плотностью энергии 155мДж/см2, которая содержит около 60% кристаллической фазы.131Рис.
74. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренные методомпостоянного фототока, для пленок контрольной (слева) и гидрогенизированной (справа)серий.На правой части рисунка 74 видно, что процедура пост-гидрогенизации приводит кизменению спектров СРМ кристаллизованных пленок при существенно меньших плотностяхэнергии лазерных импульсов. Уже для пленки, обработанной с плотностью энергии 105мДж/см2 наблюдается существенное увеличение поглощения в области 1.2 эВ< hυ< 1.6 эВ.Это указывает на эффективность предложенной процедуры пост-гидрогенизации лазерномодифицированных пленок a-Si:H в плазме водорода для увеличения фоточувствительностикристаллической части образцов.
С нашей точки зрения, причина заключается в водороднойпассивации дефектов на границах нанокристаллов, что в свою очередь уменьшает скоростьрекомбинации свободных носителей, и, следовательно, увеличивает их время жизни. Этотрезультат может быть важен для применения фемтосекундной лазерной кристаллизации дляпроизводства оптоэлектронных приборов.132Рис. 75.
Фотопроводимость исследованных лазерно-модифицированных пленок контрольнойи пост-гидрогенизированной серий, как функция от плотности энергии лазерных импульсов.Фотопроводимость пленок контрольной и гидрогенизированной серий показаны нарисунке 75, как функция от плотности энергии лазерных импульсов, использованных дляобработки пленок. Как видно, на обеих сериях наблюдается спад фотопроводимости вобласти малых интенсивностей обработки, что, по-видимому, связано с образованиемдефектов в пленках при выходе из их структуры атомов водорода.
Пост-гидрогенизвацияпленок позволяет частично подавить этот эффект. В области высоких интенсивностейобработки наблюдается увеличение фотопроводимости пост-гидрогенизированной серии посравнению с контрольной серией. Это может быть вызвано увеличением вкладакристаллической фазы в общую фотопроводимость образца (исходя из спектров CPM). Этотрезультатпредставляетсяпримененнойпроцедурыважным,посколькупост-гидрогенизациионсвидетельствуетдляулучшенияобуспешностифотоэлектрическиххарактеристик материала.Рис.
76. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренные методомпостоянного фототока, для пленок a-Si:H, обработанных импульсами с длиной волны 515 нми прошедших пост-гидрогенизацию в плазме водорода. На легенде к рисунку показана долякристаллической фазы в пленках.Нами так же исследовалось влияние пост-гидрогенизации в водородной плазме насвойствалазерно-модифицированныхпленокa-Si:Hсдвухслойнойструктурой,сформированной под действием импульсов с длиной волны 515 нм.
Спектры СРМ пленокпоказаны на рисунке 76 с указанием доли кристаллической фазы в пленках. Как видно изрисунка, в данном случае, так же как и для однородных пленок, наблюдается постепенное133изменениеформыспектров,однакополногопереходакспектрамСРМ«нанокристаллического» типа не происходит. Это по нашему мнению связано с высокимвкладомслояa-Si:H,немодифицированноголазернымизлучением,вполнуюфотопроводимость пленок.Помимо выдерживания в водородной плазме, для пост-гидрогенизации лазерномодифицированных пленок a-Si:H нами так же использовался метод выдерживания пленок ватмосфере водорода высокого давления. Для проведение данной процедуры образцыпомещались на 48 часов в камеру с водородом при давлении 135 атм.
(при этом температураподложек составляла 70 ºС).На рисунке 77 приведены СРМ спектры серии пленок, прошедших постгидрогенизация в атмосфере водорода высокого давления. Модификация пленок проводиласьлазерными импульсами с длиной волны 515 нм и средней мощностью лазерного излучения40-160 мВт. Как видно из рисунка форма представленных спектров соответствует форме,характерной для a-Si:H, даже в случае высоких долей кристаллической фазы. Следовательно,данная процедура пост-гидрогенизации, в отличие от пост-гидрогенизации в водороднойплазме, не приводит к существенному росту фоточувствительности кристаллической фазыпленок.Рис.
77. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, измеренные методомпостоянного фототока, для пленок a-Si:H, обработанных импульсами с длиной волны 515 нми прошедших пост-гидрогенизацию в атмосфере водорода высокого давления.В тоже время можно отметить необычный немонотонный характер измененияпоглощения пленок в области «дефектного» поглощения (hν < 1,4 эВ). Напомним, что в134экспериментах с негидрогенизированными пленками a-Si:H, подвергнутыми лазерномуоблучению, наблюдался монотонный рост поглощения в данной области, связанный смонотонным ростом концентрации оборванных связей в структуре пленок. В качестве мерыконцентрации дефектов можно использовать соотношение α(1.2-1.4 эВ)/ α(1.8 эВ).
Этазависимость для пленок, прошедших пост-гидрогенизацию в атмосфере водорода высокогодавления, представлена на рисунке 78. Причина наблюдаемого снижения «дефектного»поглощения, по-видимому, связана с образованием перколяционной цепочки из кремниевыхнанокристаллов. Известно, что запрещенная зона кремниевых нанокристаллов меньше шириныщели подвижности окружающей их аморфной матрицы (1,2 эВ и 1.8 эВ, соответственно). Этоприводит к образованию разрывов зоны проводимости (0,15 эВ) и валентной зоны (0,45 эВ) награнице нанокристалла и аморфной матрицы [146].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
