Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов

• Автор: Форш, Павел Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 231 с. : 71 ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ И СТРУКТУРА ПЛЕНОК пс-БРа-БШ

1.1. Методы формирования и механизмы кристаллизации пленок пс-БРа-БРН

1.2. Структура пленок пс-БРа-БкН, полученных методом

плазмохимического осаждения из газовой фазы

1.3. Структура пленок пс-БРа-БРН, полученных путем лазерной кристаллизации а-БРН

1.4. Дефекты в пленках пс-БРа-БкН

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК пс-БРа-БкН

2.1. Основные литературные данные по оптическим свойствам

пленок пс-БРа-БРН
2.2. Измерение спектральной зависимости коэффициента поглощения
методом постоянного фототока
2.3. Спектральные зависимости коэффициента поглощения пс-БРН
2.4. Зависимость коэффициента поглощения наномодифицированного аморфного кремния от доли кристаллической фазы
2.5. Методика измерений фотолюминесцентных свойств пленок пс-БРа-БРН
2.6. Фотолюминесценция пленок пс-БРа-БРН, полученных
фемтосекундной лазерной кристаллизацией аморфного кремния
2.7. Фотолюминесценция пленок пс-БРа-БРН, полученных методом РЕСУЭ
2.8. Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЛЕНОК пс-БРа-БРН
3.1. Перенос носителей заряда в пленках пс-БРа-БРН
3.2. Проводимость пленок а-БРН, подвергнутых лазерной кристаллизации
3.3. Методика измерений фотоэлектрических свойств пленок пс-БРа-БРН
3.4. Зависимость фотоэлектрических свойств пленок пс-БРа-БРН от доли кристаллической фазы
3.5. Фотоэлектрические свойства пленок пс-БРН
3.6. Модель переноса и рекомбинации неравновесных носителей
заряда в пленках пс-БРа-БРН
3.7. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК пс-БРН
4.1. Влияние термического отжига на оптические и фотоэлектрические
свойства пленок пс-БРН

4.2. Влияние длительного освещения на оптические и фотоэлектрические свойства пленок nc-Si:H
4.3. Влияние облучения электронами на оптические и фотоэлектрические свойства nc-Si:H
4.4. Выводы по главе
ГЛАВА 5. ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛОЯХ nc-Si/Si02
5.1. Основные литературные данные по механизмам переноса в системах с кремниевыми нанокристаллами в диэлектрической матрице
5.2. Получение и структура слоев nc-Si/Si02
5.3. Проводимость слоев nc-Si/Si02
5.4. Выводы по главе
ГЛАВА 6. ПРОВОДИМОСТЬ И ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ С ЛАТЕРАЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ ФОРМЫ НАНОКРИСТАЛЛОВ
6.1. Основные литературные данные по проводимости пористого кремния
6.2. Методы формирования и структура пористого кремния
6.3. Методика измерений электрических и фотоэлектрических свойств анизотропного пористого кремния
6.4. Проводимость анизотропного мезопористого кремния на постоянном токе
6.5. Электропроводность и емкость анизотропного мезопористого кремния на переменном токе
6.6. Фотопроводимость анизотропного мезопористого кремния
6.7. Выводы по главе
ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ АДСОРБЦИИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ И ТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ АНСАМБЛЕЙ СВЯЗАННЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ
7.1. Инфракрасная спектроскопия пористого кремния
7.2. Определение концентрации свободных носителей заряда с
помощью ИК-спектроскопии
7.3. Проводимость мезопористого кремния п- и p-типа при адсорбции
активных молекул
7.4. Подвижность свободных носителей заряда в мезопористом
кремнии п- и р-типа
7.5. Модификация электрофизических свойств изотропного ПК
при термическом окислении
7.6. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В диссертационной работе изучаются оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов, на примере следующих материалов: наномодифицированного аморфного кремния (пс-81/а-8пН) - двухфазного материала, состоящего из матрицы аморфного гидрированного кремния (а-ЭйН) с внедренными туда и хаотично расположенными кристаллами кремния нанометрового размера; слоев кремниевых нанокристаллов, внедренных в матрицу диоксида кремния (пс-81/8Ю2); и пористого кремния (ПК). На основе анализа оптических и электрических свойств таких систем в работе устанавливаются общие закономерности по влиянию объемной доли нанокристаллов, их размера, формы и поверхностного покрытия на процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в системах, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов.
Актуальность темы диссертации. В настоящее время базовым материалом электроники является кремний. Широкие перспективы для миниатюризации электронных приборов на основе кремния, а также для создания новых принципов функционирования таких приборов, открываются при использовании низкоразмерных кремниевых структур, в частности кремниевых нанокристаллов (пс-БО. Кремниевые нанокристаллы представляют значительный интерес в случае их использования для создания светоизлучающих устройств, фотопреобразователей, газовых сенсоров, биомедицинских препаратов и многого другого. Однако фундаментальные процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в таких системах, а также корреляция данных процессов со структурными свойствами самих кремниевых нанокристаллов (размером, формой) и особенностями их локального окружения к моменту постановки настоящей работы практически не были исследованы.
На данный момент к числу перспективных материалов, содержащих пс-8ц с точки зрения технических приложений можно отнести пленки пс-81/а-8пН; слои пс-8й8Ю2 и ПК. Конечно, перечисленные структуры не исчерпывают всего многообразия систем, содержащих пс-81, но, безусловно, являются достаточно «популярными» среди исследователей не только в связи с их очевидными практическими применениями, но также и вследствие возможности изменять в широких пределах их структурные свойства (размер, форму и поверхностное окружение нанокристаллов; а также их объемную долю в случае нахождения нанокристаллов в аморфной или оксидной кремниевых матрицах) и тем самым устанавливать корреляцию структурных и

по толщине возбуждение пленки приводит к неоднородному по толщине изменению структуры.
В последние годы появились работы, в которых для фотоиндуцированных структурных изменений в аморфном кремнии используется мощное лазерное излучение с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне. Значительный интерес к использованию фемтосекундных импульсов в ИК области спектра связан с фундаментальным отличием процессов поглощения излучения и механизмов изменения структуры материала по сравнению с режимами облучения в наносекундном диапазоне длительностей импульса. Отличие фемтосекундного лазерного отжига от отжига в наносекундном диапазоне состоит в том, что многофотонное, нелинейное оптическое поглощение в этом случае приводит к возникновению в полупроводнике чрезвычайно неравновесного состояния электронной подсистемы [86]. Проведенные эксперименты указывают на то, что возбуждение более 10% валентных электронов вызывает «нетермическое размягчение» структуры без изменения температуры решетки [87]. При этом нетермическая модификация структуры материала возможна, если время эмиссии фононов возбужденной электронной подсистемой больше длительности лазерного импульса, что справедливо для фемтосекундных импульсов. Поэтому особый интерес представляют исследования по кристаллизации аморфного кремния фемтосекундными лазерными импульсами. Кроме того, использование фемтосекундных лазерных импульсов с энергией кванта в области прозрачности материала позволяет надеяться на относительно равномерное распределение образующихся нанокристаллов по толщине пленки.
В работе [88] плёнки a-Si:H с различным содержанием водорода были получены методом PECVD. Плёнки первого типа толщиной 90 нм осаждались при температуре 250 °С (содержание водорода -20 ат%). Плёнки второго типа толщиной 128 нм осаждались при температуре 200 °С (содержание водорода -40 ат%). Было установлено, что при облучении пленок фемтосекундными лазерными импульсами (длина волны -800 нм, длительность - 30 фс) с плотностью энергии менее 35 мДж/см в них не происходит детектируемых методом рамановской спектроскопии структурных изменений. Для пленок первого типа небольшой кристаллический максимум появляется в спектре рамановского рассеяния при обработках с плотностью энергии 38 мДж/см . По оценкам, доля кристаллической фазы в этом случае составляет несколько процентов, а