Диссертация (1105259), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Таким образом, носители заряда,сгенерированные в аморфной матрице вблизи нанокристаллов, могут быть захвачены в них.Если нанокристаллы не соприкасаются между собой, то подобный захват приведет куменьшению наблюдаемого фототока. Если же в пленке создана перколяционная цепочка изнанокристаллов, то захваченные в них носители будут давать вклад в фототок, причем двигаясьс подвижностью выше, чем в a-Si:H. Поскольку представленные спектры СРМ нормированы напоглощение при энергии кванта 1.8 эВ, величина дефектного плеча может отражать изменениефотопроводимости материала при межзонной генерации в a-Si:H.
В негидрогенизированныхпленках на границе нанокристаллов присутствуют дополнительные барьеры, связанные свысокой концентрацией оборванных связей, и препятствующие захвату носителей заряда изаморфной матрицы в нанокристалл.135Рис. 78. Зависимость отношения α(1.27 эВ)/α(1.79 эВ) от средней мощности лазерныхимпульсов, использованных для обработки пленок, гидрогенизирванных в атмосфере водородавысокого давления.Таким образом, были предложены две процедуры пост-гидрогенизации пленок a-Si:H,модифицированных фемтосекундным лазерным излучением.
Показана эффективностьгидрогенизации пленок в водородной плазме для увеличения фотопроводимости nc-Si:H,сформированного при помощи лазерных импульсов. Гидрогенизация в атмосфере водородавысокого давления так же приводит к изменениям фотоэлектрических свойств пленок, однако(в использованных нами условиях) эти изменения менее ярко выражены, по сравнению спленками, гидрогенизированными в водородной плазме. При этом гидрогенизация в атмосфереводорода высокого давления не позволяет существенно увеличить вклад кристаллизованнойчасти пленок в их фотопроводимость.5.4 Фотоэлектрические и оптические свойства лазерномодифицированных пленок a-Si:H, содержащихпериодические поверхностные структурыПри разборе различных структур, формирующихся при фемтосекундной лазернойобработке пленок a-Si:H, проведенном в начале данной главы, были описаны пленки спериодическими поверхностными структурами (LIPSS) и кремниевые пленки, окисленные врезультате их облучения на воздухе.
Свойствам данных лазерно-модифицированныхматериалов посвящены два последних раздела главы.Напомним, что в определенном интервале плотностей энергий лазерных импульсовпри использовании длины волны лазера, лежащей в области прозрачности материала (внаших экспериментах использовалась λ=1030 нм) на поверхности пленок формируютсяпериодические структуры, состоящие из чередующихся полос нанокристаллов кремний иполостей. Снимок СЭМ данных структур показан на рисунке 55 (пленки «второго типа»,изображенные в нижней строке рисунка). Направление данных структур определяетсянаправлением поляризации модифицирующего лазерного пучка, период составляет примерноλ/3.Пленки с периодическими поверхностными структурами «второго типа» проявляютвысокую чувствительность к поляризации падающего на них света. Коэффициентпропускания таких пленок при их освещении светом, поляризованным параллельноповерхностным структурам, существенно отличается от коэффициента пропускания света,поляризованного перпендикулярно поверхностным структурам.
Данное свойство называется136дихроизмом. Зависимость отношения коэффициентов пропускания в двух направления,выраженного в относительных единицах, от длины волны падающего света показана нарисунке79.Вдвулучепреломления.описанныхРазличиепленкахв(«второгопоказателяхтипа»)преломлениянаблюдаетсяэффектобыкновенногоинеобыкновенного лучей составляет Δn=-0,5—-0,6 (на длине волны 546 нм). Это оченьвысокое значение для лазерно-модифицированных оптических материалов, для сравнения,характерные значения внесенного лазерной обработкой двулучепреломления в кварцевыхстеклах составляет 2·10-3–-5·10 -3 [176]. На рисунке 79 так же представлена спектральнаязависимость фазовой задержки, вычисленная как произведение Δn(λ)·d, где d – толщинапленки.Рис.
79. Спектральные зависимости дихроизма и фазовой задержки, наблюдаемых влазерно-модифицированных пленок a-Si:H с периодическими поверхностными структурами«второго типа».Исследования, проведенные при помощи спектроскопии КРС подтвердили, чтопоказанные на СЭМ снимках (Рис. 55) структуры состоят из кристаллического кремния.Проведенные нами исследования электрических и фотоэлектрических свойств данныхструктур показали, что полученный материал является проводящим, однако демонстрируеточень низкую фоточувствительность. На рисунке 80 показаны спектры фотопроводимоститакой пленки, нормированные на число падающих квантов света, и снятые в двухперпендикулярныхнаправленияхполяризациипадающегосвета.Неожиданно,наблюдающаяся фотопроводимость таких пленок не зависит от поляризации падающегосвета.
По-видимому, за фоточувствительность материала отвечают сохранившиеся областинекристаллизованного аморфного кремния. Об этом свидетельствуют спектральные137зависимости фотопроводимости, в то время как поляризационную чувствительностьобеспечивает периодически модулированные области nc-Si:H.Рис. 80. Спектральные зависимости фотопроводимости лазерно-модифицированных пленокa-Si:H с периодическими поверхностными структурами «второго типа», нормированные начисло падающих квантов света.5.5 Оптические свойства пленок a-Si:H, оксидированных впроцессе фемтосекундной лазерной обработкиКак было показано в первом разделе 5 главы, облучение пленок a-Si:Hфемтосекундными лазерным импульсами с плотностью энергии W ≥ 260 мДж/см2 приводит кначалу процесса окисления кремниевых пленок.
Результаты рентгеновской фотоэлектроннойспектроскопии свидетельствуют о формировании структуры из нанокристаллов кремния вматрице SiO2. Объемное содержание нанокристаллов кремния составляет около 10%. Так какоснову материала составляет матрица диоксида кремния, данные пленки не проявляютдетектируемой проводимости или фотопроводимости.В описанных выше окисленных пленках наблюдалась фотолюминесценция (ФЛ) прикомнатной температуре. Спектры фотолюминесценции приведены на рисунке 81. Как видноиз рисунка, интенсивность наблюдаемой фотолюминесценции возрастает с увеличениемплотности лазерной энергии, использованной для обработки пленок, при этом положениемаксимума ФЛ практически не изменяется.В работах [177] исследовалась ФЛ структур, образованных при обработкемонокристаллического кремния фемтосекундными лазерными импульсами.
При этом вкачествевозможныхканалов,обуславливающихнаблюдаемуюФЛ,приводятся138рекомбинация носителей в нанокристаллах кремния малых размеров или рекомбинация надефектах в SiO2 матрице. В нашем случае размер нанокристаллов может быть оценен, исходяиз смещения кристаллического пика в спектрах КРС.
Для наших пленок положениекристаллического ТО максимума составляло примерно 519,5 см-1. Согласно моделиквантового конфайнмента [142], это соответствует размеру нанокристаллов около 8 нм.Согласно работе [178] максимум спектра ФЛ для нанокристаллов таких размеров долженнаходиться вблизи 900 нм, что не соответствует экспериментально наблюдаемым в нашемслучае данным (см.
рис. 81). Поэтому в нашем случае фотолюминесценция, по-видимому,обусловлена излучательной рекомбинацией носителей заряда на дефектах в SiO2 матрице.Рис. 81. Спектры фотолюминесценции пленок аморфного кремния,фемтосекундными лазерными импульсами с W = 260, 360 и 460 мДж/см2.облученныхВыводыТаким образом, в результате проведенных исследований было показано, что:1)Облучениепленокa-Si:Hфемтосекунднымилазернымиимпульсамипозволяетконтролируемым образом проводить их кристаллизацию.
Объемная доля кристаллическойфазы полученного материала, а так же ее распределение по толщине пленок, определяетсятехнологическими параметрами получения пленок и их обработки, в частности длиннойволны и плотностью энергии используемого лазерного облучения.1392)Лазернаякристаллизацияпленокa-Si:Hсопровождаетсятекстурированиемихповерхности, морфология которой зависит от условий лазерного облучения пленок.3) Кристаллизация пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами приводит ксущественному изменению (на 3-5 порядков величины) темновой проводимости и слабомуизменению фотопроводимости. Показано, что малый вклад возникших нанокристаллов вфотопроводимость модифицированных пленок связан с их дегидрогенизацией в процессемодификации структуры материала. Пост-гидрогенизация модифицированных пленокпозволяет увеличить вклад нанокристаллической фазы в их фотопроводимость.4) Облучение пленок a-Si:H фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны вобласти прозрачности материала позволяет создавать на их поверхности периодическиеструктуры, которые приводят к возникновению поляризационной чувствительности пленок.5) Облучение пленок a-Si:H на воздухе фемтосекундными лазерными импульсами с высокойинтенсивностью приводит к формированию матрицы диоксида кремния с включениемкремниевых нанокристаллов.
Для данных структур наблюдалась фотолюминесценция ввидимом диапазоне, связанная, по нашему мнению, с дефектами на границе SiO2 матрицы инанокристаллов.140Заключение и основные выводыВ работе исследованы электрические, фотоэлектрические и оптические свойствапленок гидрогенизированного кремния с двухфазной структурой. Были получены следующиеосновные результаты:1) Исследовано влияние малой доли нанокристаллических включений в пленкахпротокристаллического кремния на их электрические и фотоэлектрические свойства.Обнаружен эффект температурного гашения фотопроводимости при освещении пленок pcSi:H излучением с энергией кванта, меньшей ширины щели подвижности a-Si:H. Обнаруженоуменьшение поглощения, измеренного методом постоянного фототока, в области энергийквантов 1,2 – 1,5 эВ после освещения пленок pc-Si:H межзонным монохроматическим светом.Показано,чтонаблюдаемые эффекты обусловленыналичием нанокристаллическихвключений в аморфной кремниевой матрице.2) Подтверждено наличие кремниевых нанокристаллов в пленках полиморфногокремния, равномерно распределенных по толщине пленок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
