Особливості формування та властивості нанокристалічного кремнію, сформованого методом хімічного травлення
Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових матеріалів та систем інфрачервоної мікрофотоелектроніки. Розробка фізичних основ створення інфрачервоних фоточутливих наноструктур основі вузькощілиннх напівпровідників, їх значення та обґрунтування.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 29.08.2014 |
| Размер файла | 45,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Особливості формування та властивості нанокристалічного кремнію, сформованого методом хімічного травлення
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми.
Основною тенденцією в розвитку сучасної техніки є використання функціональних об'єктів малих розмірів. Прикладом може служити електронна техніка, у якій мікромініатюризація приладів уже зараз вимагає застосування функціональних елементів, розміри яких становлять декілька нм. Саме при таких розмірах напівпровідникових систем проявляються явища просторового розмірного квантування. Це привело до зародження нового напряму мікроелектроніки - наноелектроніки і відповідно нанотехнологій, методи яких знайшли своє втілення в хімії та фізиці квантово розмірних структур та квантових речовин і дозволили розробити процеси виробництва речовин з новими фізико-хімічними властивостями. Можна виділити три основні підходи до створення наноструктур на поверхні твердого тіла: 1) використання прецизійного інструмента, типу вістря атомного силового або скануючого тунельного мікроскопа; 2) направлений хімічний синтез; 3) самоорганізація наноструктур. Останній, самоорганізація, що являє собою природний, спонтанний процес у ході якого створюється, відтворюється або вдосконалюється організація складної динамічної системи в результаті внутрішньої її перебудови, становить найбільший інтерес і інтенсивно досліджується. Тому з'ясування законів самоорганізації наноструктур на поверхні твердого тіла є однією з умов успішного розвитку нанотехнологій.
Під наноструктурами, що самоорганізуються розуміють поверхневі, або об'ємні атомарні, молекулярні, кластерні структури з нанометровими розмірами. Одним з типів об'ємних наноструктур, які самоформуються є нанокристалічний (або поруватий (ПК)) кремній (nc-Si), нанорозмірність й упорядкованість якого визначається хімічним процесом травлення. Нанокристалічні кремнієві структури можуть бути використані для створення нового покоління нанорозмірних приладів. Зокрема, вони є ефективними емітерами оптичного випромінювання для плоских екранів й елементів оптичного міжз'єднення інтегральних схем (ІС); чудовими гетерами домішок важких металів; затравочним шаром при епітаксиальному нарощувані кремнієвих та арсенід галієвих шарів на пасивній підкладці для виробництва ІС; антивідбиваючим, просвітлюючим та пасивуючим покриттям для сонячних елементів; чутливим адсорбційним шаром для сенсорних газоаналізаторів.
Існує багато методів формування nc-Si, але з них слід виділити метод хімічного травлення, який істотно виділяється з традиційних технологій мікроелектроніки, що потребують складного коштовного обладнання, високих температур відпалу, наявності вакууму, потужних іонних джерел, лазерних пучків та багато іншого. Метод хімічної самосборки nc-Si, який дає можливість вирощувати тонкі плівки nc-Si, не потребує спеціального устаткування, є простим і високо технологічним, що дозволяє його легку адаптацію до умов промислового виробництва. Серед основних факторів, що стримують широке застосування методу хімічного формування nc-Si при виготовлені приладів для наноелектроніки є низька відтворюваність та значна неоднорідність плівок nc-Si, особливо великої площі, недостатня вивченість фізичних явищ та процесів самоорганізації, які протікають при формуванні таких плівок.
Таким чином, актуальність теми дисертації обґрунтовано необхідністю розробки та вдосконалення методу хімічного формування тонких плівок nc-Si з високою відтворюваністю, однорідністю, заздалегідь заданими їх оптичними, структурними властивостями та хімічним складом. Важливою задачею є також виявлення закономірностей процесу самоорганізації наноструктур при хімічній модифікації поверхні монокристалічного кремнію.
Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи одержано при виконанні бюджетних тем ІФН НАНУ:
1. «Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових матеріалів та систем інфрачервоної мікрофотоелектроніки», 2003-2005 рр. (Постанова Президії НАН України №11 від 27.11.2002 р., державний реєстраційний номер теми 0103U000363).
2. «Розробка фізичних основ створення інфрачервоних фоточутливих наноструктур на основі вузькощілиннх напівпровідників», 2002-2006 pp. (Постанова Президії НАН України №8 від 12.01.2002 р., державний реєстраційний номер теми 0102U001678).
Метою дисертаційної роботи було встановлення закономірностей формування тонких однорідних плівок nc-Si методом хімічного травлення з високою відтворюваністю та комплексне дослідження їх властивостей для цілеспрямованого керування характеристиками цих плівок при їх використанні в сонячних елементах та газових сенсорах.
Відповідно до поставленої мети в роботі розв'язувались такі задачі:
– розробка методики і технології формування тонких однорідних плівок nc-Si шляхом самоорганізації дефектної поверхні монокристалічного кремнію (c-Si) при хімічному травленні;
– дослідження властивостей плівок, а саме структури, хімічного складу, фотолюмінесценції, та відбивання в залежності від технологічних умов та зовнішніх факторів;
– встановлення закономірностей зміни структурних, фотолюмінесцентних властивостей і складу плівок в процесі самоорганізації поверхні;
– дослідження процесів деградації характеристик nc-Si під дією ультрафіолетового (УФ) опромінення та з'ясування їх механізму;
– дослідження характеристик nc-Si, сформованого на підкладках моно-, мультикристалічного кремнію та їх текстурованій поверхні для практичного використання в сонячних елементах (CE) та газових сенсорах.
Об'єктом дослідження є тонкі плівки nc-Si, сформовані на підкладках моно - та мультикристалічного кремнію для сонячних елементів шляхом самоорганізації поверхні при хімічному травлені.
Предметом дослідження є процеси самоформування тонких плівок nc-Si на дефектній поверхні моно - та мультикристалічного кремнію для сонячних елементів та процеси деградації nc-Si під дією УФ опромінення.
Методи дослідження.
Для вивчення властивостей наноструктурних матеріалів, яким є nc-Si, найбільш оптимальним є комплексний підхід. Тому в роботі були залучені ряд сучасних експериментальних методів дослідження морфології поверхні (атомна силова (АСМ), скануюча тунельна (СТМ), та растрова електронна мікроскопії (РЕМ)), розподілу поверхневих полів напружень (рентгенівська топографія), хімічного складу плівок (Оже-електронна спектроскопія (ОЕС), локальна лазерна мас-спектрометрія, вторинна іонна мас-спектрометрія (ВІМС), рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (РФЕС)), методи дослідження електрофізичних властивостей (вольт-амперні характеристики (ВАХ)) та методи дослідження оптичних та люмінесцентних характеристик (фотолюмінесценції (ФЛ), спектрів збудження люмінесценції (СЗЛ), оптичне відбиття). Комплексний характер досліджень із використанням сучасних експериментальних методів, проведення експериментів у автоматизованому режимі, комп`ютерна обробка результатів забезпечували достовірність одержаних результатів.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному:
1. Показано, що модифікація поверхні підкладок c-Si шляхом її високотемпературного відпалу призводить до збільшення інтенсивності ФЛ в
1,5-2 рази. На підставі детального дослідження структурних, фотолюмінесцентних властивостей, а також елементного складу плівок nc-Si зроблено висновок, що підвищення інтенсивності ФЛ пов'язано з більш активним процесом формування nc-Si на відпалених підкладках завдяки великій кількості дефектів в приповерхневій області кремнію після відпалу.
2. Показано, що смуга люмінесценції зразків nc-Si, одержаних хімічним травленням є суперпозицією смуги, обумовленої рекомбінацією екситонів у кремнієвих нанокластерах і смуги, обумовленою рекомбінацією носіїв через поверхневі дефекти.
3. Виявлено 2 процеси деградації характеристик nc-Si під дією ультрафіолетового світла: один з яких є необоротнім і пов'язаний з фотостимульованим окисленням поруватого шару, що призводить до зміни коефіцієнту відбивання. Другий - оборотній - призводить до зменшення інтенсивності фотолюмінесценції. Зроблено висновок, що він викликаний тунелюванням носіїв на центри прилипання в окисній оболонці кристалітів.
4. Встановлено, що формування nc-Si при хімічному травленні складається з двох етапів: етапу самоорганізації структури на нанорівні (розвивається наноструктура на вихідному мікрорельєфі підкладки) та етапу самоорганізації структури на макрорівні (модифікується як наноструктура, так і мікрорельєф підкладки кремнію, на якому вона сформована).
5. Показано, що при хімічному травленні відбувається також зміна елементного складу плівок nc-Si, яку також можна поділити на два аналогічні етапи: протягом першого етапу склад плівки nc-Si на поверхні, а також по глибині змінюється (при збільшенні часу формування вміст O, SiOx на поверхні зростає, вміст C на поверхні спадає, змінюється розподіл елементів по глибині); на другій стадії самоорганізації елементний склад і його розподіл по глибині не змінюється. Встановлено роль поверхневих дефектів та механічних напружень в процесі формування плівок nc-Si.
Практичне значення роботи полягає у можливості використання розробленого методу формування плівок nс-Si та вивчених закономірностей росту і властивостей сформованих плівок nc-Si для отримання високоефективних сонячних елементів, газочутливих сенсорів та інших приладів мікроелектроніки з тонкими плівками nс-Si. Зокрема,
1. Показана можливість значного підсилення інтенсивності смуги ФЛ
(1.9 еВ) для зразків нанокристалічного кремнію шляхом термічної обробки підкладок монокристалічного кремнію до нанесення плівок.
2. Розроблена технологія формування тонких однорідних плівок nс-Si на моно - та мультикристаллічному кремнію для сонячних елементів та їх текстурованій поверхні. Досліджені їх структурні, люмінесцентні властивості та оптичне відбивання з метою використання їх при виготовлені ефективних фотоперетворювачів сонячної енергії. Показано, що використання nс-Si дозволяє суттєво покращити експлуатаційні характеристики сонячних елементів, зокрема підвищити їх коефіцієнт корисної дії на 3-7%, Iкз (A) на 0,29-0,72 А.
3. Детально вивчено кінетику змін люмінесцентних властивостей nс-Si при його експонуванні в атмосферному середовищі та під дією УФ опромінення. Отримані результати можуть бути корисними для досліджень з метою запобігання нестабільності експлуатаційних параметрів приладів на основі цього матеріалу.
4. В роботі продемонстровані можливості використання гетероструктур наноструктурований кремній - кремній в якості сенсору для аналізу складу газового середовища.
Особистий внесок здобувача.
Автор дисертації приймала участь у виборі напрямку досліджень, систематизації та аналізі літературних даних, постановці задачі [1-18]. Нею безпосередньо була розроблена методика формування наноструктур на розвиненій дефектній поверхні монокристалічного кремнію шляхом самоорганізації поверхні при хімічному травлені, підібрані режими травлення для одержанні тонких плівок nс-Si та виготовлені всі зразки, що досліджувалися у роботі. Основна частина експериментальних результатів, наведених у роботі, зокрема, виміри спектрів ФЛ [1, 2, 4-6, 8-10, 14-16], спектрів збудження ФЛ [5, 9], спектрів відбивання [2, 4, 6, 10, 12], рентгенотопографічні дослідження поверхневих полів напружень [13] виконані автором дисертаційної роботи самостійно. Їй належить суттєва роль в обробці, інтерпретації отриманих експериментальних результатів та написанні всіх наукових праць. Більшість отриманих у дисертації результатів доповідалась автором на вітчизняних та міжнародних конференціях.
Апробація роботи.
Основні матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових конференціях та семінарах, тези доповідей опубліковані у відповідних збірниках праць:
3th, 5th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO (Kiev, Ukraine, 2002, 2004); 4th International conference «Porous semiconductors - science and technology» (Gullera-Valencia, Spain, 2004); International conference of the phуsics, chemistry and engineering of solar cells (SCELL-2004) (Badajos, Spain, 2004); 10-я, 11-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-10, 11 (Москва, Екатеринбург, Россия, 2004, 2005); XI, XII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, Россия, 2004, 2005); 8-я, 9-я конференция по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов (Владивосток, Россия, 2004, 2005); 10-та Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок МХТТП-Х (Івано-Франківськ, Україна, 2005); International Conference «Crystal materials 2005» (Kharkov, Ukraine, 2005); 3rd International Conference «Physics and disordered systems» (Gdansk-Sobieszewo, Poland, 2005); наукових семінарах в ІФН НАН України.
Публікації.
За матеріалами дисертації опубліковано 18 наукових праць, з них 5 - у наукових журналах, 13 - у матеріалах і тезах конференцій.
Структура та об'єм дисертації.
Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків та списку цитованої літератури. Вона викладена на 194 сторінках тексту, містить 57 рисунків, 3 таблиці та список літератури з 210 посиланнями.
Основний зміст
фоточутливий наноструктура інфрачервоний напівпровідник
У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, сформульовано основну мету та задачі роботи, що розв'язувалися для її досягнення, показано наукове і практичне значення отриманих результатів, зв'язок роботи з плановими завданнями. Відображено особистий внесок автора, надано інформацію про апробацію результатів досліджень, наукові публікації за темою та показано структуру і короткий зміст дисертації за розділами.
Перший розділ присвячено огляду літератури за темою дисертації. Зокрема, подано основні методи формування нанокристалічного кремнію, особливу увагу приділено методам електролітичного та хімічного травлення. Проаналізовано їх переваги та недоліки, розглянуто хімічні реакції, що призводять до формування поруватих шарів.
Розглянуто структуру, морфологію та хімічний склад поруватих шарів при формуванні як методом хімічного так і електролітичного травлення.
Наведено ряд результатів теоретичних та експериментальних досліджень фотолюмінесцентних характеристик ПК. Коротко проаналізовані основні моделі люмінесценції nс-Si. Відзначено, що більшість результатів досліджень фотолюмінесцентних характеристик не мають однозначної інтерпретації. Також обговорюється експериментальні дані про вплив на ФЛ УФ опромінення, приводяться існуючі моделі фотодеградації ПК.
Викладено літературні дані про можливості застосування ПК, особливу увагу приділено застосуванню ПК в сонячних елементах. На підставі аналізу існуючих робіт зроблено висновки про те, що для застосування ПК в сонячних елементах необхідно формувати тонкі плівки nc-Si методом хімічного травлення з високою відтворюваністю та однорідністю.
У другому розділі описано методику отримання плівок nс-Si на поверхні моно- і мультикристалічного кремнію та текстурованих поверхнях. Для формування плівок використовували пластини з гідрофобною дефектною поверхнею монокристалічного Si (100) орієнтації та мультикристалічного кремнію р-типу, леговані бором, з питомим опором 1 Ом/см2, товщиною 300 мкм, що призначені для виготовлення сонячних елементів. Плівки nс-Si формували шляхом хімічного травлення в розчині на основі плавикової й азотної кислот. Визначено оптимальні режими для самоформування плівок та встановлена залежність між основними параметрами процесу хімічного травлення та результатом розробленого в дисертації методу хімічної самосборки наноструктур є можливість формування тонких (<60 нм) однорідних плівок n-Si з наперед заданими параметрами, великої площі та з високою відтворюваністю результатів.
Наведено експериментальні методи, які були застосовані для комплексного дослідження підкладок та плівок nс-Si сформованих на них.
У цьому розділі також описано методику термічного відпалу зразків, методики нанесення контактів на нанорозмірні плівки кремнію та пошарового травлення плівок.
Третій розділ присвячено дослідженню основних властивостей тонких плівок нанокристалічного кремнію сформованих шляхом самоорганізації поверхні при хімічному травленні. За допомогою комплексного дослідження властивостей різноманітними методами показано, що сформовані зразки nс-Si товщиною від 3 до 60 нм являють собою нанокомпозит з нанорозмірних кристалів і аморфних кластерів кремнію в оточенні окисної фази SiOx, вони характеризуються яскравою ФЛ з максимумом в області 650 нм інтенсивність якої зберігається стабільною протягом двох років. Отримані спектри збудження люмінесценції є типовими для поруватого кремнію й містять широку смугу у видимій області спектра з максимумом збудження =320 нм.
Дослідження структури плівок nс-Si та їх морфології поверхні показало, що морфологія поверхні nс-Si має фрактальний характер; наноструктура формується по поверхні всіх елементів структури вихідної поверхні підкладок, тобто мікрорельєф поверхні підкладок промодульований нанорельєфом з розмірами кристалітів у декілька нанометрів при висоті <60 нм. Досліджено вплив дефектів та механічних напружень в підкладці Si на однорідність формування плівок nс-Si при хімічному формуванні. Показано, що формування шару nc-Si на початковому етапі травлення зумовлено існуванням напруженої області на поверхні та наявністю точкових дефектів.
Методом локальної лазерної мас-спектрометрії проведено дослідження елементного складу зразків та вивчення однорідності хімічного складу по площі зразка. Показано, що елементи H, C, O та Si рівномірно розподілені по поверхні,
у деяких точках поверхні присутні сліди N та F, які зумовлені залишками травника на поверхні nc-Si. Підібрані в роботі технологічні умови формування nc-Si, а саме умови промивання та просушування зразків, дозволили позбутися присутності зайвих домішок при формуванні однорідних плівок nc-Si. При цьому, спостерігається добре співпадіння форми, амплітуди та мас всіх піків одержаних у різних місцях однієї пластини, що свідчить про незмінність хімічного складу на поверхні nc-Si, а також для зразків nc-Si з різних партій, одержаних при однакових технологічних умовах формувань. Різниця в хімічному складі в межах 5-7%. Це добре узгоджується з даними по вивченню ФЛ властивостей відповідних зразків і ще раз підтверджує відтворюваність методу.
Для детального дослідження елементного складу плівки nc-Si на поверхні й розподілу елементів nc-Si по глибині було застосовано методи Оже-електронної спектроскопії та вторинної іонної мас-спектрометрії. Як показує, пошарове травлення пучком іонів Ar+ плівки nc-Si на глибині 3-60 нм (в залежності від умов формування) концентрація SiOx зменшується до нуля, зникає темне зафарблення поверхні, що характеризує нанокристалічну плівку, а поверхня набуває кольору вихідної кремнієвої підкладки. Стравлення цього шару приводить до повного безповоротного зникнення ФЛ, при цьому вміст SiOx добре корелює з інтенсивністю ФЛ. Таким чином товщина плівок складає 3-60 нм, що добре корелює з оцінкою висоти наноструктур, отриманої за допомогою атомно-силової і скануючої тунельної мікроскопії. Аналіз результатів ОЕС показав, що основними елементами nc-Si є C, O, Si та SiOx, типові концентраційні профілі по глибині nc-Si представлені на рис. 1.
В даному розділі наведені також результати вивчення впливу високотемпературного відпалу підкладок c-Si для сонячних елементів на структурні, фотолюмінесцентні властивості і елементний склад nc-Si отриманого на них. Вперше показано, що попередній відпал підкладок в інтервалі температур 400-1000°С приводить до збільшення інтенсивності фотолюмінесценції для всіх зразків nc-Si, нанесених на них в ~1,5-2 рази. Детальне вивчення морфології поверхні плівок nc-Si сформованих на відпалених і не відпалених підкладках методом АСМ вказує на відсутність істотних відмінностей у наноструктурі, однак в спектрах ОЕС спостерігається збільшений вміст SiOx як на поверхні, так й у глибині нанокристалічного кремнію, сформованого на модифікованих відпалом підкладках. Отримані результати пояснюються структурними змінами - збільшенням кількості точкових дефектів, дислокацій, які з'являються при термообробці в поверхневих областях монокристалічного кремнію і приводять до більш інтенсивного формування nc-Si.
Представлені результати з дослідження впливу відпалу при різних температурах на склад й ФЛ властивості тонких плівок nс-Si. Показано, що відпал nс-Si в інтервалі температур 20-300°С на повітрі приводить до різкого зменшення інтенсивності ФЛ властивостей, а при температурі ?300°С спостерігається повне незворотне зникнення ФЛ. Дослідження зміни складу на поверхні й по глибині плівки nс-Si до й після відпалів, показало, що у відпалених зразків nс-Si збільшується загальна кількість кисню на поверхні й у глибині й починає утворюватися SiО2 фаза. При цьому при збільшенні температури відпалу спостерігається зменшення інтенсивності оже-піка SiOx і збільшення піка SiО2.
В цих експериментах інтенсивність ФЛ nс-Si також добре корелює з вмістом SiOx комплексів, і для відпалених при Т=300°С зразків nс-Si, коли оже-пік SiOx не реєструється, а реєструється лише діоксид кремнію, люмінесценція відсутня.
Четвертий розділ присвячено дослідженню природи смуги ФЛ nс-Si та деградації властивостей плівок nс-Si під дією УФ опромінення та з метою визначення механізму цього процесу.
Показано, що в більшості випадків існує залежність спектрального положення максимуму ФЛ (lФЛ) від довжини хвилі світла збудження (lзб), що може свідчити про неелементарність смуги ФЛ. Це підтверджується температурними залежностями положення максимуму, форми смуги ФЛ, а також інтенсивності, виміряної на її низькоенергетичному та високоенергетичному боках і в максимумі. При охолодженні зразків смуга ФЛ зсувається у високоенергетичний бік, значно розширюється і в деяких випадках набуває форму з плоскою вершиною. Суттєво, що при зниженні температури від 300 К положення максимуму спочатку не змінюється (майже до 190 К), а лише потім починається його зсув. Величина зсуву різна для різних зразків і часто значно перевищує величину зміни ширини забороненої зони кремнію. Ці факти свідчать про те, що смуга ФЛ складається принаймні з двох компонент, причому максимум однієї з них не зміщується з температурою, а зсув сумарної смуги обумовлений конкуренцією її компонентів, інтенсивність яких по різному залежить від температури. Дійсно, інтенсивність низькоенергетичної компоненти майже не залежить від температури в області Т=77-200 К, в той час як інтенсивність високоенергетичної компоненти в цій області зменшується зі зменшенням Т. Різний характер температурних залежностей положення максимуму смуги ФЛ і інтенсивності її компонентів свідчить про різну природу цих компонентів. Незалежність положення максимуму високоенергетичної компоненти від температури дозволила приписати її внутрішньоцентрові рекомбінації через поверхневі дефекти, що узгоджується з кореляцією вмісту SiOx і інтенсивності ФЛ. В той же час аналіз даних СТМ і РФЕС, і співставлення їх з літературними даними дозволило приписати високоенергетичну компоненту рекомбінації в аморфних кремнієвих кластерах.
Виявлено два ефекти змін характеристик зразків під дією УФ опромінення: зростання інтенсивності відбивання і зменшення інтенсивності ФЛ (деградація). Перший ефект необоротній. Встановлено, що зміни коефіцієнта відбивання при неперервному УФ опроміненні подібні змінам коефіцієнта відбивання при тривалому зберіганні зразків nс-Si на повітрі, однак швидкість змін при неперервному УФ опроміненні збільшується в 3800 разів. Це вказує на ідентичність хімічних процесів, що протікають на поверхні nс-Si і може бути пояснене фотостимульованим окисленням нанокристалічного шару, що підтверджується методами ОЕС и ВІМС.
Другий ефект оборотній і спостерігається як на щойно виготовлених зразках, так і після їх старіння при опроміненні світлом з області поглинання кремнієвими кластерами. Показано, що при деградації зменшується інтенсивність переважно низькоенергетичної компоненти. Спадання інтенсивності ФЛ є не експоненціальним, а його швидкість уповільнюється при старінні зразка на повітрі і не залежить від температури. Показано, що пасивація обірваних зв'язків кремнію - центрів безвипромінювальної рекомбінації - при відпалі зразків в атмосфері водню не впливає на ефект деградації, тобто він не пов'язаний з генерацією цих центрів. Оборотність процесу, а також уповільнення його при старінні і незалежність від температури дозволяють припустити, що ефект деградації пов'язаний з тунелюванням носіїв, генерованих в кремнієвих кластерах, на центри прилипання в їх окисній оболонці. Це може приводити до зменшення інтенсивності обох компонент смуги ФЛ внаслідок включення Оже-процесу в кремнієвих кластерах. Додаткове зменшення оксидної смуги може бути пов'язано зі зміною швидкості захоплення нерівноважних носіїв центрами випромінювання або зі зменшенням кількості цих центрів внаслідок фотостимульваних реакцій.
У п'ятому розділі проведено вивчення процесу формування наноструктур на поверхні монокристалічного кремнію в залежності від режимів травлення. Ефективність процесу травлення досягається за допомогою чітко визначеного складу травника та великої кількості місць порушень кристалічної структури підкладки.
Аналіз результатів досліджень структури сформованих зразків методами АСМ, СТМ і РЕМ показав, що в процесі формування nc-Si можна виділити два етапи: етап самоорганізації структури на нанорівні й етап самоорганізації структури на макрорівні. У ході першого етапу формується й розвивається однорідна фракталоподібна наноструктура на вихідній поверхні підкладки кремнію, формуючи нанорельєф по всьому її мікрорельєфі. Таким чином, у результаті 1-го етапу самоорганізації мікрорельєф поверхні підкладок промодульований нанорельєфом з розмірами кристалітів у декілька нанометрів. При цьому розвиток наноструктури йде завдяки збільшенню товщини нанокристалічної плівки кремнію (збільшенню висоти наноструктури) до деякого критичного значення (рис. 2, а).
Подальше збільшення товщини плівки nc-Si стає неможливим, тому що процес може мати місце доти, доки зберігаються відкриті ділянки зіткнення розчину із кремнієм. Далі більше ймовірним стає альтернативний процес - екстракція дірок не із кремнію, а вже з сформованої плівки. При цьому відбувається розчинення плівки nc-Si з такою же швидкістю, з якої він формується, ріст плівки припиняється, а її товщина не збільшується.
Другий етап самоорганізації структури починається тоді, коли пройшли всі зміни на нанорівні й товщина плівки nc-Si досягла свого критичного значення. З досягненням цього етапу сформована наноструктура починає неоднорідно розтравлюватися, розміри нанокристалітів мають більші флуктуації і при постійному формуванні й стравлюванні наноструктури травник починає неоднорідно стравлювати мікрорельєф.
У розділі показано, що ефект самоорганізації проявляється також і у зміні елементного складу плівок сформованого нанокристалічного кремнію. Методами ОЕС та ВІМС встановлено, що протягом першого етапу елементний склад поверхні зразка змінюється з часом травлення (O, SiOx зростає, C спадає (рис. 2, б)), при цьому глибина O та SiOx збільшується внаслідок збільшення товщини поруватого шару. На другій же стадії самоорганізації елементний склад і його розподіл у глибину не змінюється.
З поведінкою структури та елементного складу тонких плівок nc-Si в процесі самоорганізації поверхні добре корелюють ФЛ властивості. Встановлено, що в процесі першого етапу самоорганізації інтенсивність ФЛ різко збільшується (рис. 2, а), другий етап характеризується монотонним зменшенням ФЛ та неоднорідністю ФЛ властивостей по площі зразка. Така поведінка ФЛ в процесі самоорганізації поверхні пояснюється на основі структурних змін, що виникають в процесі формування плівок nc-Si.
Шостий розділ присвячено практичному застосування плівок nc-Si в сонячних елементах та газових наносенсорах.
Показано, що тонкі нанокристалічні плівки кремнію сформовані методом хімічного травлення є дуже перспективними для застосування в кремнієвій сонячній енергетиці завдяки технічній простоті їх виготовлення та найкращим антивідбиваючим характеристикам серед відомих одношарових антивідбиваючих плівок. Проведено порівняння відбиваючих характеристик зразків nc-Si з промисловим антивідбиваючим покриттям. Підібрані умови формування для отримання nc-Si з найкращими антивідбиваючими характеристиками. Отримані результати антивідбиваючих характеристик плівок nc-Si в залежності від часу травлення (від товщини плівки). Показано, що використання nс-Si дозволяє суттєво покращити експлуатаційні характеристики сонячних елементів, зокрема підвищити їх коефіцієнт корисної дії на 3-7%.
В роботі показана можливість формування однорідної плівки nc-Si на мультикристлічному кремнію, використання якого дозволяє суттєво знизити вартість сонячних елементів. Досліджена структура, ФЛ та відбиваючі властивості сформованих плівок. Порівняння спектрів фотолюмінесценції nc-Si від зерен з різною кристалографічною орієнтацією показало, що вони відрізняються за інтенсивністю несуттєво (10%), на відміну від шарів поруватого кремнію отриманих методом електролітичного травлення.
В розділі також проведено дослідження процесу формування ПК на текстурованій поверхні монокристалічного кремнію, який відрізняється від аналогічного процесу на плоскій поверхні монокристалічного кремнію: травлення відбувається повільніше, а шар ПК починає формуватися тільки через деякий час після занурення в розчинник, що пов'язано з відсутністю полів напружень та поверхневих дефектів текстурованої поверхні кремнію. Використовуючи метод РЕМ в роботі досліджена динаміка формування ПК на текстурованому мікрорельєфі в залежності від режимів травлення. Показано, що при малому часі травлення (~2-3 хв.) спостерігається локальне виникнення ПК між пірамідами вздовж їх основ, збільшення часу формування ПК призводить до збільшення площі ПК завдяки стравленню бічних граней біля їх основ та збільшення розмірів пор. Повне покриття ПК всієї поверхні пластини протікає за 20-30 хв. (в залежності від концентрації травника). При цьому вихідний текстурований мікрорельєф повністю стравлюється, а на поверхні спостерігається однорідна сітка пор з розмірами пор ~1 мкм. Особливості такого вибіркового формування ПК пов'язано з різною швидкістю травлення різних кристалографічних площин. Одержані зразки ПК на текстурованій поверхні характеризуються яскравою ФЛ та гарними стабільними антивідбиваючими властивостями.
Встановлено, що можливе використовування nc-Si в структурах In - nc-Si - c-Si - In у якості газових сенсорів. Проведено вимірювання вольт-амперних характеристик структур при різних частотах тестуючого сигналу щ в контрольованому газовому середовищі, в яке було поміщено експериментальні зразки та проведено дослідження другої похідної ВАХ. Експериментальні дослідження другої похідної ВАХ структури виявили цілий ряд особливостей, а саме: наявність принаймні трьох резонансних частот щ (при яких спостерігається максимум амплітуди другої похідної); різну поведінку даних частот при зміні параметрів газового середовища (тиску та роду газу, що досліджувався), що проявлялась у нерівномірності зсуву максимумів другої похідної. Такі особливості ВАХ можуть бути пов'язані, на нашу думку, з особливостями структури (морфології) плівок після хімічної модифікації, а саме з наявністю на поверхні макро- і наноструктурованості. Це повинно приводити до зміни поверхневого потенціалу елементів поверхні, що знаходяться в різному морфологічному оточенні, а це в свою чергу до змін умов адсорбції молекул оточуючого газового середовища. З прикладної точки зору цей ефект може бути використаний, як ще один дискримінуючий параметр для підвищення селективності до певних газів гетероструктур.
Висновки
В результаті комплексних досліджень розроблена методика формування тонких (3<d<60 nm) плівок nc-Si з високою відтворюваністю результатів і однорідністю на підкладках монокристалічного кремнію для сонячних елементів шляхом самоорганізації поверхні при хімічному травлені, встановлені закономірності їх формування, досліджені структура, склад, ФЛ та оптичне відбивання.
Виходячи з аналізу проведених досліджень можна сформулювати такі основні результати та висновки роботи:
1. За допомогою комплексного дослідження властивостей показано, що сформовані зразки n-Si методом хімічного травлення являють собою нанокомпозит товщиною до 60 нм, який складається з нанорозмірних кристалів і аморфних кластерів кремнію в оточенні окисної фази SiOx, що характеризується яскравою ФЛ с максимумом в області 650 нм, яка не змінюється при зберіганні зразків на повітрі. Встановлено, що спектр ФЛ nc-Si складається з двох смуг, одна з яких пов'язана з рекомбінацією екситонів в кристалітах, а друга - з рекомбінацією носіїв через поверхневі центри.
2. Вперше встановлено, що попередній відпал підкладок монокристалічного кремнію в інтервалі температур 400-1000°С приводить до збільшення інтенсивності люмінесценції для всіх зразків nc-Si, нанесених на них, в ~1,5-2 рази. Спостерігається збільшений вміст SiOx як на поверхні, так й у глибині nc-Si сформованого на модифікованих відпалом підкладках. При цьому спостерігається кореляція ФЛ властивостей і вмісту SiOx нанокристалічного кремнію. Підвищення інтенсивності ФЛ пояснюється більш активним процесом формування nc-Si на відпалених підкладках завдяки великій кількості дефектів в приповерхневій області кремнію після відпалу.
3. Виявлено 2 процеси деградації характеристик nc-Si: один з яких є необоротний і пов'язаний з фотостимульованим окисленням поруватого шару, що призводить до зміни коефіцієнту відбивання. Другий - оборотній - призводить до зменшення інтенсивності фотолюмінесценції. Зроблено висновок, що він викликаний тунелюванням носіїв, генерованих в кремнієвих кластерах, на пастки в їх окисній оболонці.
4. Встановлено, що процес формування nc-Si проявляється не тільки в організації наноструктури на поверхні вихідних підкладок, але і в зміні елементного складу плівок nc-Si. Процес організації наноструктури складається з двох етапів: етап формування на нанорівні - збільшується висота наноструктури (товщина плівки) на вихідному мікрорельєфі підкладки, збільшується вміст елементів плівки nc-Si на поверхні (виняток С, що характеризується протилежною поведінкою) і глибина їх залягання, спостерігається ріст інтенсивності ФЛ; етап формування на макрорівні - висота наноструктури не змінюється, однак модифікується вихідний мікрорельєф підкладки кремнію, на якому вона сформована, змін елементного складу на поверхні та його розподілу у глибину не спостерігається, інтенсивність ФЛ монотонно зменшується.
5. Проведено дослідження антивідбиваючих характеристик в залежності від товщини плівок nc-Si. Підібрані умови формування для отримання плівок nc-Si з оптимальними антивідбиваючими характеристиками, проведено порівняння відбивання зразків nc-Si з промисловим антивідбиваючим покриттям. Показано, що використання nс-Si дозволяє суттєво покращити експлуатаційні характеристики сонячних елементів, зокрема підвищити їх коефіцієнт корисної дії на 3-7%.
6. Показана можливість використання особливостей вольт-амперних характеристик структур нанорозмірна плівка кремнію - кремній для аналізу складу газового середовища.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Мельниченко М.М., Свеженцова К.В., Шмирьова О.М. Використання субмікронних шарів поруватого кремнію в сонячних елементах // Електроніка та зв'язок. - 2003. - №4. - С. 204-208.
2. K.V. Svezhentsova, A.N. Shmyryeva, M.M. Melnichenko. Porous silicon upon multicrystalline silicon: structure and photoluminescence // Journal of materials science. - 2005. - №40. - P. 1409-1412.
3. Ільченко В.В., Кандиба В.О., Кравченко О.І., Лендєл В.В., Лученко А.І., Макара В.А., Свеженцова К.В., Телега В.М., Чехун В.П., Мельниченко М.М. Про можливість використання особливостей вольт-амперних характеристик структур нанорозмірна плівка кремнію - кремній для аналізу складу газового середовища // Вісник Київського Університету. Серія Радіофізика. - 2005. - №1. - С. 281-288.
4. Свеженцова Е.В., Сизов Ф.Ф., Шмирьова О.М. Особливості формування поруватого кремнію на текстурованій поверхні фотоелектричних перетворювачів // Наукові вісті національного технічного університету України «Київський політехнічний Інститут». - 2005. - №2 (40). - C. 20-24.
5. Свеженцова К.В., Сизов Ф.Ф., Хоменкова Л.Ю., Мельниченко Н.Н., Капитанчук Л.М. Особенности формирования нанокристаллического кремния методом химического травления // Металофизика и новейшие технологии. - 2005. - Т. 27, №10. - С. 1395-1406.
6. Melnichenko M.M., Svezhentsova K.V., Shmyryeva A.N. Porous silicon upon multicrystalline silicon: structure and photoluminiscence // International conference of the physics, chemistry and engineering of solar cells (SCELL-2004), May 13-15, 2004, Badajos, Spain, p. 28.
7. Мельниченко М.М., Свеженцова Е.В. Особенности формирования пористого кремния методом химического травления // 8-я региональная конференция по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2004), 17-19 мая 2004 г., Владивосток, с. 50.
8. Мельниченко М.М., Свеженцова Е.В. Влияние модификации поверхности на фотолюминесцентные свойства нанопористого кремния // 10-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10),
1-7 апреля 2004 г., Москва, с. 620.
9. Горчинский А.Д., Лендел В.В., Мельниченко Н.Н., Свеженцова Е.В., Хоменко А.Ю. Комплексное исследование свойств нанопористого кремния // XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2004», 12-15 апреля 2004 г., Москва, с. 325.
10. Svezhentsova K.V., Luchenko A.I., Melnichenko M.M., Shmyryeva O.M. Formation features of porous silicon on the textured silicon surface // 5th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2004, October 28-31, 2004, Kyiv, Ukraine, p. 153.
11. Luchenko. A.I., Kulyk S.P., Melnichenko M.M., Svezhentsova K.V. Studing of modified surface morphology of silicon monocrystalline substrates by method STM // 5th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2004, October 28-31, 2004, Kyiv, Ukraine, p. 55.
12. Свеженцова Е.В., Сизов Ф.Ф., Мельниченко Н.Н. Динамика формирования пористого кремния на текстурированной поверхности кремния // XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2005», 12-15 апреля 2005 г., Москва, с. 74, 75.
13. Служавый С.Н., Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Исследование топографии поверхности подложек и сформированных на них пленок нанокристаллического кремния // XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2005», 12-15 апреля 2005 г., Москва, с. 75, 76.
14. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Изучение влияния высокотемпературного отжига на элементный состав нанопористого кремния // 11-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11), 24-30 марта 2005 г., Екатеринбург, с. 587, 588.
15. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н., Сизов Ф.Ф. Влиянее термического отжига на фотолюминесцентные свойства и элементный состав тонких пленок нанокристаллического кремния // 10-та Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МХТТП-Х), 16-23 травня 2005 р., Івано-Франківськ, с. 93, 94.
16. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Изменение элеметного состава нанокристаллического кремния при отжиге в воздушной атмосфере // Труды 9-я региональная конференция по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2005), 18-21 мая 2005 г., Владивосток, с. 92-96.
17. Svezhentsova K.V., Sizov F.F., Melnichenko M.M. Regularity of self-organizing nanostructure on single-crystal silicon surface // International Conference «Crystal materials 2005», May 30 - June 2 2005, Kharkov, Ukraine, p. 212.
18. Luchenko A.I., Melnichenko M.M., Svezhentsova K.V. Studying of nanoporous surface morphology of silicon monocrystalline substrates by method scanning tunneling microscopy // 3rd International Conference «Physics and disordered systems», September 18-21, 2005, Gdansk-Sobieszewo, Poland, p. 19.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Класифікація напівпровідникових матеріалів: германія, селену, карбіду кремнію, окисних, склоподібних та органічних напівпровідників. Електрофізичні властивості та зонна структура напівпровідникових сплавів. Методи виробництва кремній-германієвих сплавів.
курсовая работа [455,9 K], добавлен 17.01.2011Характеристика основних даних про припої та їх використання. Особливості пайки напівпровідників, сполук припоїв і режимів пайки германія й кремнію. Сполуки низькотемпературних припоїв, застосовуваних при пайці германія й кремнію. Паяння друкованих плат.
курсовая работа [42,0 K], добавлен 09.05.2010Вплив умов одержання, хімічного складу і зовнішніх чинників на формування мікроструктури, фазовий склад, фізико-хімічні параметри та електрофізичні властивості склокерамічних матеріалів на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник.
автореферат [108,5 K], добавлен 11.04.2009Природа і спектральний склад сонячного світла, характер його прямого та непрямого енергетичного перетворення. Типи сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 17.06.2014Навчальна програма для загальноосвітніх шкільних закладів для 7-12 класів по вивченню теми "Напівпровідники". Структура теми: електропровідність напівпровідників; власна і домішкова провідності; властивості р-п-переходу. Складання плану-конспекту уроку.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 29.04.2014Характеристики та класифікація напівпровідників. Технологія отримання напівпровідників. Приготування полікристалічних матеріалів. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 09.06.2008Електрофізичні властивості напівпровідників та загальні відомості і основні типи напівпровідникових розмикачів струму. Промислові генератори імпульсів на основі ДДРВ й SOS-діодів, дрейфовий діод з різким відновленням, силові діоди на базі P-N переходів.
дипломная работа [254,4 K], добавлен 24.06.2008Основні властивості неупорядкованих систем (кристалічних бінарних напівпровідникових сполук). Характер взаємодії компонентів, її вплив на зонні параметри та кристалічну структуру сплавів. Електропровідність і ефект Холла. Аналіз механізмів розсіювання.
реферат [558,1 K], добавлен 07.02.2014Характеристика матеріалів, які використовуються для одержання оптичних волокон: властивості кварцу, очищення силікатного скла, полімерні волокна. Дослідження методів та технології виробництва оптичних волокон. Особливості волоконно-оптичних ліній зв'язку.
курсовая работа [123,3 K], добавлен 09.05.2010Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів. Спектральні характеристики кремнієвих ФЕП. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом. Характеристика фотометра відбиття ФО-1.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 17.11.2015
