Диссертация (1105259), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Природа этого пика до сих пор находится на стадии обсуждения. Так, авторы [64,65]связывают его появление с формированием линейных областей с «промежуточнымпорядком» в аморфной матрице. Авторы [66] относят данный максимум к упорядоченнымкластерам размерами менее 10 нм. Наконец, по мнению авторов [67] появление даннойполосы на спектрах КРС связано с образованием промежуточной фазы на границе разделананокристаллов и аморфной матрицы.Однозначно подтвердить наличие малой доли нанокристаллов в структуре пленок pcSi:H позволяют прямые методы, такие как просвечивающая электронная спектроскопия(ПЭМ).Такие исследования были проведены, например, в работах [68,69]. Однако процедураподобных исследований разрушает исследуемые образцы, а так же требует специальной29подготовки пленок и сложного экспериментального оборудования.
Поэтому вопрос о поискенеразрушающей методики экспресс анализа структуры пленок a-Si:H с малой долейкристаллических включений остается актуальным.Содержание водорода в пленках pc-Si:H немного выше, чем в a-Si:H [70]. На границахнанокристаллов в pc-Si:H образуются области с высокой концентрацией водорода [71, 72].Это приводит к формированию около нанокристаллов плотного, хорошо пассивированногоматериала. Такая конфигурация выгодна не только с точки зрения уменьшения концентрациидефектов, но также позволяет предотвратить оксидацию пленки после ее осаждения.Поверхность пленок, полученных в условиях начала формирования кристаллическойфазы, характеризуется высокой шероховатостью, по сравнению с a-Si:H [73].
Шероховатостьповерхности существенно снижается, когда конические структуры из нанокристалловкремния начинают соприкасаться на поверхности пленки. Расчеты показывают, что этопроизойдет при доле кристаллической фазы в пленках, превышающей 16% [47].Многие авторы отмечают, что образованию кристаллической фазы предшествуетформирование частично упорядоченной структуры. Так, при помощи спектроскопии КРСбыло показано, что разброс в углах между связями pc-Si:H составляет 6,4º, что значительноменьше соответствующего показателя в a-Si:H. В работе [74] постепенное упорядочениеструктуры пленок при увеличении RH было продемонстрировано при помощи дифракциирентгеновских лучей. Авторы [75] отмечают, что увеличение упорядоченности структурыпленок приводит к уменьшению плотности состояний в щели подвижности, что в своюочередь может объяснить лучшие, по сравнению с a-Si:H, фотоэлектрические параметрыматериала.1.2.2.2 Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства pc-Si:HКлючевым фактором, определяющим интерес исследователей к пленкам pc-Si:H,являетсяотносительнаястабильность(посравнениюспленкамиa-Si:H)кфотоиндуцированной деградации параметров как самого материала [29,68,76], так исолнечных элементов на его основе [77,78].
Согласно [29] влияние эффекта СтеблераВронского (SWE) на изменение характеристик pc-Si:H не превосходит 10%. Для образованияоборванных связей, возникающих в результате SWE, необходима энергия, выделяющаяся прибезызлучательной рекомбинации фотогенерированных носителей заряда в a-Si:H. Согласно[29,76], часть актов рекомбинации в pc-Si:H происходит в кремниевых нанокристаллах или на30их границах, что существенно уменьшает выделяющуюся энергию, и следовательно,подавляет эффект SWE.Заметим, что авторы [78] предлагают другое объяснение уменьшения эффекта SWE впленках pc-Si:H.
Они обращают внимание, что увеличение стабильности характеристикматериала может быть вызвано уменьшением концентрации атомов водорода в структурепленок, что наблюдалось для a-Si:H, полученного HW-CVD методом [79]. Концентрацияводорода в пленках pc-Si:H выше, чем в a-Si:H, однако атомы водорода в pc-Si:Hконцентрируется около кремниевых нанокристаллов, при этом содержание водорода востальной аморфной матрице может быть достаточно низким. Кроме того, многие авторыотмечают, что насыщение эффекта Стеблера-Вронского в пленках pc-Si:H происходитсущественно быстрее, чем в a-Si:H [80].В работах [76, 81] исследовалась концентрация спинов, связанных с дефектнымисостояниями типа оборванных связей в кремниевых пленках.
Авторы этих работ отмечают,что присутствие кремниевых нанокристаллов уменьшает концентрацию оборванных связей впленках. По их мнению, более низкая концентрация дефектов в пленках pc-Si:H может бытьсвязана с уменьшением структурного беспорядка.Рис. 6. Спектры межзонного поглощения, для образцов pc-Si:H (A), a-Si:H (B), a-Si:H,осажденный при высокой скорости (С) до (заполненные символы) и после (пустые символы)их длительного освещения.На рисунке 6 приведены спектры поглощения в области края поглощения, полученныеавторами [77] из спектров фотопроводимости в условиях «собственной» подсветки.
Как31видно из рисунка, поглощение в пленке pc-Si:H не только существенно меньше, чем в a-Si:H,в данной области спектра, но также отличается по форме спектральной зависимости. Вспектре pc-Si:H не проявляется явно «плечо» поглощения, характерное для a-Si:H. Авторы[77] связывают это с наличием двух различных типов дефектных электронных состояний,расположенных около 1,2 эВ и 1 эВ ниже зоны проводимости, причем концентрациядефектов первого типа существенно уменьшена в пленках pc-Si:H. Улучшенная стабильностьпротокристаллического кремния авторы [77] связывают с уменьшением плотностидефектных состояний с энергией на 1.2 эВ ниже зоны проводимости.Рис.
7. Зависимость объемной доли кристаллической фазы (XC), темновой (σd) ифотопроводимости (Δσph) пленок гидрогенизированного кремния от соотношения газовсилана и водорода в реакционной камере RH при получении пленок [82].Основные электрические и фотоэлектрические параметры протокристаллическогокремния в сравнении с параметрами двухфазных пленок, содержащих большую долюнанокристаллической фазы, хорошо иллюстрируют данные полученные в работе [82].Авторы [82] исследовали фотоэлектрические свойства кремниевых пленок, полученных приразличных разбавлениях RH (см. рис.
7). Согласно их результатам темновая проводимостьрезко увеличивается в диапазоне RH от 11 до 16, когда формируется нанокристаллическийкремний. Далее темновая проводимость растет плавно. В тоже время фотопроводимостьпленок изменяется немонотонно, при этом минимум фотопроводимости приходится как разна пленки с протокристаллической природой, соответствующих переходным от a-Si:H к ncSi:H условиям осаждения. По мнению авторов, это связано с возникновением новых32рекомбинационных центров в pc-Si:H на границах внедренных в аморфную матрицунанокристаллов.Авторы [83] применяли времяпролетную методику для определения подвижностиносителей заряда в протокристаллическом материале.
Согласно их результатам, дырочнаяподвижность в таких пленках больше, а электронная, наоборот, меньше, по сравнению сподвижностью носителей заряда в a-Si:H. Для объяснения полученных результатов авторы[83] рассматривают нанокристаллы как «примесь», изменяющую плотность состояний в щелиподвижностиa-Si:H.Приэтомпомнениюавторов,энергетическийуровень,соответствующий транспорту электронов, попадает в запрещенную зону a-Si:H и служитловушкой для носителей заряда, движущихся по аморфной матрице, тем самым уменьшаяподвижность электронов. Энергетический уровень, соответствующий транспорту дырок, помнению авторов, может попадать в валентную зону a-Si:H, увеличивая подвижность дырок.----------------------------------------------------Из представленного выше следует, что пленки со структурой, соответствующей началуформирования нанокристаллических включений в аморфной матрице, представляют большойинтерес.
Согласно литературным данным, введение нанокристаллов неаддитивным образомизменяет свойства материала. В тоже время электронные процессы, определяющиефотоэлектрические характеристики материала, недостаточно изучены. Поэтому представляетинтерес изучение электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленокпротокристаллического кремния, а так же их связи со структурой и условиями полученияматериала.1.2.3 Полиморфный гидрогенизированный кремний1.2.3.1 Особенности получения пленок pm-Si:HДля осаждения пленок аморфного кремния с низкой концентрацией дефектов, какправило, используются низкие давления газов и мощность разряда, и высокие температурыподложек (180-250 0С) при получении пленок PECVD методом.
При таких условиях, ростпленок происходит за счет осаждения SiHx радикалов (где х = 1-3) на поверхность материалас последующими реакциями их сшивания в зоне роста [84]. При этом наименьшее числодефектов в структуре пленок получается, если основной вклад в их рост вносят SiH3радикалы.Как отмечено выше, для увеличения скорости роста пленок необходимо поддерживать33высокие давление в реакционной камере и мощность разряда.
В этом случае существенныйвклад в процесс осаждения будут вносить вторичные реакции в газовой фазе в реакционнойкамере, которые приводят к образованию кластеров, агломератов атомов кремния или дажепорошка, состоящего из нанокристаллов кремния [84-86] (см. рис. 8).
Как было сказано вовведении к разделу, в конце 1990х P. Roca i Cabarrocas et al. показали, что при поддержанииусловий близких к образованию порошка в плазме, образуется новый материал –полиморфный кремний (pm-Si:H), – в процессе роста которого основную роль играютнанокристаллы и/или кластеры кремния размерами в 1-3 нм [30].Рис. 8. Скорость осаждения пленок гидрогенизированного кремния, представленная какфункция от давления газов в реакционной камере.
Остальные условия осаждения описаны вработе [85].Переход от «плазмы радикалов» к плазме, содержащей кремниевые кластеры, можетпроизводиться не только путем увеличения давления газов и мощности разряда, но также засчет уменьшения температуры подложки и изменения других технологических параметров.Была продемонстрирована возможность получения pm-Si:H со схожими свойствами прикардинально отличающихся условиях осаждения: 1) чистый моносилан при низком давлении,низкой мощности разряда и температуре подложки около 50 0С; 2) в тех же условиях, но прибольшом разбавлении моносилана водородом и температуре подложки около 100 0С; 3)большое разбавление моносилана водородом, наряду с большими давлениями, мощностьюразряда и температурой подложки около 200 0С [86]. Схожие свойства пленок, полученных в34столь различных условиях, и их специфические черты по отношению к а-Si:H объясняютсявкладом нанокристаллов и кластеров кремния, присутствующих в плазме, в процессосаждения пленок кремния.1.2.3.2 Структура пленок pm-Si:HКак отмечалось выше, структура пленок полиморфного кремния представляет собойматрицу a-Si:H с малой долей нанокристаллических включений, равномерно распределенныхв ее объеме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
