64900

ТОНКІ ПЛІВКИ НАНОКРИСТАЛІЧНОГО КРЕМНІЮ, ЛЕГОВАНІ ЄВРОПІЄМ ТА ІТРІЄМ ДЛЯ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ

Автореферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Останнім часом в оптоелектроніці намітився перехід до тонкоплівкових технологій через їх простоту та відносно низьку вартість. Найбільш перспективним матеріалом, як і в об’ємному виконанні, залишається кремній, завдяки дешевій та добре відпрацьованій інтегральній технології.

Украинкский

2014-07-15

410.5 KB

0 чел.

PAGE  1

НАЦІОНАЛЬНИЙ  ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ  ПОЛІТЕХНІЧНИЙ  ІНСТИТУТ"

КОВАЛЬ  ВІКТОРІЯ МИХАЙЛІВНА

УДК 621.383.4+621.383.5

         

ТОНКІ ПЛІВКИ НАНОКРИСТАЛІЧНОГО КРЕМНІЮ, ЛЕГОВАНІ ЄВРОПІЄМ ТА ІТРІЄМ, ДЛЯ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ

05.27.01 твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2010


Дисертацією є  рукопис.

Робота виконана на кафедрі мікроелектроніки Національного  технічного  університету України  "КПІ" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Національний технічний  університет України  "КПІ",

професор кафедри мікроелектроніки

кандидат технічних наук, професор

Борисов Олександр Васильович,

Національний технічний  університет України  "КПІ",

заст. завідувача кафедри мікроелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Вербицький володимир григорович,

Директор державного підприємства "науково-дослідний інститут мікроприладів" нтк “інститут монокристалів” нан україни

Доктор технічних наук, професор

Гусєв володимир олександрович,

Севастопольський національний технічний університет,

Завідувач кафедри електронної техніки

Захист відбудеться «7»  грудня  2010 р. о 15 00  годині на засіданні спеціалізованої вченої  ради  Д.26.002.08 при Національному технічному університеті України "Київський  політехнічний інститут" за адресою: 03056,  м. Київ, пр Перемоги, 37, навчальний корпус №12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України  "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр Перемоги, 37.

Автореферат розіслано " 4"   листопада  2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                               

                                                                                (підпис)                                                                                  

  В. Г. Артюхов

(ініціали, прізвище)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом в оптоелектроніці намітився перехід до тонкоплівкових технологій через їх простоту та відносно низьку вартість. Найбільш перспективним матеріалом, як і в об’ємному виконанні, залишається кремній, завдяки дешевій та добре відпрацьованій інтегральній технології. Проте кремнієві плівкові структури на відміну від їх об’ємних аналогів характеризуються нижчими величинами ефективності перетворення сонячної енергії та стабільності параметрів, що спонукає дослідників до пошуку нових шляхів покращення цих характеристик.

Одним із потенційних матеріалів на заміну аморфного кремнію в тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачах (ФЕП) є нанокристалічний кремній. Поява нанокристалітів у аморфній матриці забезпечує даному матеріалу високу чутливість у видимому та ультрафіолетовому діапазоні спектру разом з підвищеною стабільністю характеристик, що може мати широке прикладне застосування у оптоелектроніці. Зокрема, нанокристалічний кремній являється перспективним матеріалом для побудови фотоелектричних перетворювачів третього покоління, метою якого є зниження вартості електроенергії, отриманої тонкоплівковими структурами (друге покоління ФЕП), за рахунок підвищення їх ефективності перетворення сонячної енергії. Однак на сьогодні бракує теоретичного підгрунття та експериментальних досліджень, які б дали змогу встановити чіткий звязок структурних властивостей нанокристалічного кремнію з характеристиками фотоприймачів на його основі, що значно обмежує масове використання даного матеріалу.

Іншим способом підвищення ефективності тонкоплівкових фотоприймачів та фотоелектричних перетворювачів є введення до складу поглинаючого шару певних домішків. Зокрема з точки зору покращення транспортних властивостей матеріалу досить перспективними є домішки рідкоземельних металів (РЗМ), що являються ефективними внутрішніми гетерами ряду нецільових домішків (O2, C, N). Причому особливий інтерес представляють рідкоземельні елементи (РЗЕ) з подвійною валентністю (Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Yb), оскільки дані домішки передбачають створення оптичних домішкових центрів різної природи. Вибір для дослідження домішків європію обумовлений специфічною будовою його енергетичних рівнів, що дозволить кремнієвому матеріалу ефективно поглинати ультрафіолетове випромінювання. Однак використання європію має і ряд недоліків, зокрема його порівняно висока вартість та здатність швидко окислюватись на повітрі. Тому для порівняння було обрано рідкоземельний елемент, який за цими показниками є кращим – ітрій.

Не дивлячись на те, що використання нанокристалічного матеріалу, легованого рідкоземельними елементами,  може бути досить перспективним для побудови високоефективних і стабільних тонкоплівкових фотоприймачів та фотоелектричних перетворювачів, на сьогодні практично відсутні подібні дослідження. Все це вказує на актуальність та необхідність дослідження впливу наноструктури матеріалу та домішків рідкоземельних елементів (Eu, Y) на характеристики тонкоплівкових кремнієвих фотоприймачів та фотоелектричних перетворювачів.  

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційне дослідження пов’язане з науковими темами та програмами навчального процесу кафедри мікроелектроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Робота виконувалась у відповідності з наступними програмами та темами:

  1.  Міжвідомча науково-технічна програма “Нанофізика та наноелектроніка” (Розпорядження Кабінету Міністрів України від 14.03.2001 №85-р, Розпорядження Кабінету Міністрів України від 14.02.2007 №42-р, наказ Міністра освіти і науки України від 28.04.2007 р. № 350).
  2.  Україно – російська програма Нанофізика і наноелектроніка (держ. реєстр. № 0104U00988, інв. № 0206009616).
  3.  НДР “Низькотемпературний синтез наноструктур на основі матеріалів кремнію, нітридів індію і галію” (договір № М/252, 2001 – 2006).
  4.  Проект “Фотон” за тематикою “Створення технології тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів для впровадження в серійне виробництво” (договір № 176 від 03.12.2007).
  5.  НДР Розроблення  технології  отримання  функціональної  сенсорної  МЕМС  на  основі  наноструктурних  п’єзоелектричних плівок  нітриду  алюмінія  та сполук кремнія (№  держреєстрації 0107U002712, інв. № 0210U003499, 2009).

Мета дисертаційної роботи полягала у створенні та дослідженні високочутливих фотоприймачів на основі плівок nc-Si, nc-Si:РЗМ і гетеропереходів nc-Si/с-Si, nc-Si:РЗМ/с-Si, а також у синтезі гетероструктурних фотоелектричних перетворювачів високої стабільності.     

 Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

  1.  Встановити звязок структури та хімічного складу тонких плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ з умовами отримання (температура та тип підкладки, кількість імпульсів лазерного опромінення, концентрація та тип домішків РЗМ).
  2.  Провести комплексне дослідження електричних та оптичних властивостей плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ, а також гетеропереходів на їх основі. Встановити зв’язок між фізичними властивостями плівок та технологічними режимами, структурою і хімічним складом.
  3.  Здійснити розрахунок впливу нанокристалітів та домішків РЗМ на зонну будову матеріалу, його електричні та оптичні властивості.
  4.  Дослідити фоточутливість до видимого та ультрафіолетового випромінювання фоторезисторів та фотодіодів на основі плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ.
  5.  Встановити вплив наноструктури та домішків РЗМ на ефективність та стабільність фотоелектричних перетворювачів.

Об’єктом дослідження є вакуумні методи синтезу нелегованих плівок нанокристалічного кремнію, а також легованих рідкоземельними елементами (Eu, Y) у широких концентраційних межах. Предметом дослідження є тонкі плівки nc-Si та nc-Si:РЗМ, а також гетероструктури на їх основі.

 Для досягнення поставленої мети були використані наступні методи дослідження: 1) растрова електронна мікроскопія (РЕМ), атомно-силова мікроскопія (АСМ), просвічуюча електронна мікроскопія (ПЕМ) та рентгеноструктурний аналіз, що дають змогу встановити наявність нанокристалітів у плівках, їх розмір та кількість; 2) Оже-електронна спектроскопія, вторинно-іонна мас-спектроскопія (ВІМС) та рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (РФЕС), за допомогою яких визначається вміст та розподіл по глибині плівки домішків рідкоземельних металів, а також їх зарядовий стан; 3) температурні дослідження опору плівок з метою визначення глибини залягання домішкових рівнів; 4) метод темнових вольт-амперних характеристик (ВАХ) плівок та гетеропереходів на їх основі для визначення їх електричних параметрів; 5) метод вольт-фарадних характеристик (ВФХ) з метою визначення густини станів на межі поділу плівка – підкладка; 6) вимірювання спектрів оптичного поглинання та пропускання, що дозволяє визначити ширину забороненої зони та коефіцієнт заломлення матеріалу; 7) метод люкс-амперних характеристик (ЛАХ) плівок та гетероструктур на їх основі, за допомогою яких розраховуються інтегральні коефіцієнти фоточутливості плівки та структури; 8) метод вольт-амперних характеристик плівок при дії УФ-випромінювання з метою визначення монохроматичного коефіцієнта чутливості матеріалу; 9) метод навантажувальної вольт-амперної характеристики фотодіоду на основі гетеропереходів nc-Si/c-Si та nc-Si:РЗМ/c-Si для розрахунку основних параметрів фотоелектричного перетворювача.   

Наукова новизна одержаних результатів:

  1.  Розроблено модель електропровідності нанокристалічного кремнію, зокрема запропоновано механізм електропровідності за низької степені кристалічності плівки – тунельно-стрибковий. Дана модель дає змогу пояснити значну відмінність у величині питомої електропровідності для плівок з різною ступінню кристалічності.
  2.  За результатами експериментальних досліджень показано, що введення домішків рідкоземельних металів (Eu, Y) до складу кремнієвої плівки призводить до зростання  її електричної провідності. Крім того, встановлено, що дані домішки дають можливість значно покращити випрямляючі властивості гетеропереходу, що є важливим при конструюванні фотопримайчів.    
  3.  Зонну модель нанокристалічного кремнію запропоновано розглядати у вигляді кристаліт – тунельно-тонкий діелектрик – аморфна матриця, що дало можливість розрахувати ширину забороненої зони нанокристаліту в оточенні аморфної матриці за будь-якого його розміру.
  4.  Розроблено технологію отримання тонкоплівкових фоторезисторів та фотодіодів високої чутливості, при цьому вперше показано, що введення домішків рідкоземельних елементів (Eu, Y) до складу кремнієвої плівки призводить до зростання коефіцієнта чутливості фотоприймача.
  5.  Досліджено чутливість приймачів до УФ випромінювання в залежності від структури плівки та наявності домішків РЗМ, що дало змогу визначити оптимальні технологічні умови для створення УФ-датчиків.
  6.  Вперше встановлено зростання величини фото-ЕРС гетероструктури при введенні домішків рідкоземельних металів (Eu, Y) до складу кремнієвої плівки, що може бути потенційним шляхом збільшення ефективності перетворення сонячної енергії ФЕП.
  7.  Досліджено деградацію параметрів фотоелектричних перетворювачів під дією інтенсивного освітлення в залежності від структури плівки, в результаті чого визначено оптимальні технологічні умови для створення тонкоплівкових ФЕП високої стабільності.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні розроблених у роботі технологічних підходів для створення тонкоплівкових фоторезисторів і фотодіодів підвищеної фоточутливості та тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів високої стабільності. Зокрема введення домішків РЗМ до складу кремнієвої плівки може бути використане для підвищення коефіцієнту фоточутливості тонкоплівкових фотоприймачів та фото-ЕРС тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів. Використання нанокристалічної будови кремнієвої плівки в фоторезисторах дає змогу збільшити їх фоточутливість, а в ФЕП – підвищити стабільність параметрів до дії інтенсивної засвітки.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав безпосередню участь у постановці завдань по технології отримання та дослідженню основних властивостей плівок і гетероструктур на їх основі. Підготовка дослідних зразків здійснювалась автором за участю співавторів. Самостійно було виконано вимірювання вольт-амперних, вольт-фарадних та люкс-амперних характеристик, температурних залежностей опору та навантажувальних характеристик ФЕП, здійснено аналіз експериментальних результатів та розрахунок параметрів. Автором самостійно були запропоновані модельні уявлення про енергетичну будову матеріалу, механізми електропровідності та фоточутливості. Публікації по матеріалам дисертаційної роботи в цілому виконані автором самостійно. Інші співавтори приймали участь у проведенні дослідження структури та хімічного складу матеріалу методами Оже-електронної спектроскопії, ВІМС, РФЕС, РЕМ, ПЕМ, АСМ та рентгеноструктурним аналізом, а також у вимірюванні спектрів поглинання і пропускання.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, приведені у дисертації, були представлені на наступних міжнародних конференціях: Second International Conference on Physics of Laser Crystals (2005, Yalta), VI Международный украинско-российский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” (2005, Киев), VII Международный российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” (2006, Санкт-Петербург), 18-ый Международный симпозиум “Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике” (2006, Харьков), 19-ый Международный симпозиум “Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике” (2007, Харьков), ХХVІІ Міжнародна науково-технічна конференція Проблеми електроніки” (2007, Київ).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 13 публікаціях, в тому числі 8 робіт в фахових наукових журналах, 5 – в матеріалах та тезах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаної літератури, що містить 176 джерел. Робота виконана на 196 сторінках друкованого тексту, що містить 53 рисунка та 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

 У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, а також задачі, які необхідно було вирішити в даній роботі, приведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

 У першому розділі дисертації  зроблено огляд робіт, присвячених технології отримання нанокристалічного кремнію та дослідженню його основних властивостей. Виконано аналіз технологічних умов отримання нанокристалітів у товщі аморфної матриці. Встановлено вплив наноструктури на ширину забороненої зони, електричні та оптичні властивості матеріалу, а також стабільність його фотоелектричних властивостей до дії інтенсивного опромінення. Вказано на особливі властивості, яких набуває нанокристалічний кремній при введені до його складу домішків РЗМ. Розглянуто можливості застосування плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ в оптоелектроніці.

На основі огляду літературних джерел встановлено коло невирішених проблем синтезу, експериментального і теоретичного опису матеріалу, а також його застосування в оптоелектроніці, що дало змогу конкретизувати задачі дисертаційної роботи.

 Другий розділ присвячений моделюванню впливу нанокристалітів та домішків рідкоземельних металів на основні властивості нанокристалічного кремнію. Поява нанокристалічної фази у товщі аморфної матриці змінює ширину забороненої зони матеріалу внаслідок квантово-розмірного ефекту. На основі теоретичного розрахунку було показано збільшення ширини забороненої зони окремо взятого кристаліту до 3,56 еВ при зменшенні його розміру до 1 нм. Далі було здійснено розрахунок величини енергетичної щілини для нанокристаліту, поміщеного у аморфну матрицю. Межа поділу кристаліт – матриця моделювалась n-n-ізотипним гетеропереходом, звідки визначалась висота бар’єру для носіїв заряду, яка становила 0,15…0,3 еВ для електронів та 0,43…0,56 еВ для дірок в залежності від рівня легування аморфної матриці. Скориставшись відомим розв’язком рівняння Шрьодінгера для квантової ями кінцевої висоти, було встановлено, що ширина забороненої зони нанокристаліту, поміщеного у напівпровідникове середовище, значно зменшується. Крім того, у роботі було показано, що для випадку дрібнокристалічної фази (розміром декілька нм) немає розв’язків, тобто у такій потенціальній ямі немає зв’язаних станів (рівнів енергії). Тому  для кращого узгодження розрахованих даних з експериментальними було запропоновано врахувати на межі поділу кристаліт – матриця наявність тунельно-тонкого діелектрику SiO2 для плівок nc-Si  та RE2O3 для плівок nc-Si:РЗМ. Розгляд такої структури межі поділу дав змогу отримати більші значення висоти потенціального бар’єру для електронів та дірок: 3,15 і 4,73 еВ у плівках nc-Si та 3,55 і 0,43 еВ у плівках nc-Si:РЗМ відповідно. В результаті було розраховано ширину забороненої зони кремнієвого кристаліту у аморфній матриці за будь-якого його розміру. Так, величина енергетичної щілини нанокристаліту  розміром 1 нм у плівках nc-Si та nc-Si:РЗМ становить 2,83 та 2,42 еВ відповідно. Звідси було зроблено висновок, що нанокристалічний кремній представляє собою варизонний матеріал, прикладне значення якого полягає в більш ефективному поглинанню оптичного випромінювання: аморфна матриця поглинає видиме червоне випромінювання, а кристаліти – видиме випромінювання від блакитного до червоного при розмірі кристалітів в декілька нм або ближнє ІЧ-випромінювання при розмірі кристалітів 20…30 нм.

Теоретичний аналіз домішків рідкоземельних металів (Eu та Y) в нанокристалічному кремнію показав формування двох домішкових центрів – кисневого та силіцидного, які створюють у забороненій зоні кремнію відповідно неглибокі донорні та глибокі акцепторні рівні.

Для пояснення особливостей електричних властивостей нанокристалічного кремнію на основі моделі гетероквантових точок (ГКТ) та зонної моделі, запропонованої нами вище, була представлена модель електропровідності даного матеріалу за низької степені кристалічності плівки.

Під час аналізу руху носіїв заряду по нанокристалічному матеріалу розглядались три його складові: рух по нанокристалічній фазі, рух, пов’язаний з подоланням бар’єрів, рух по аморфній матриці. Оскільки розміри нанокристалітів є меншими довжини вільного пробігу носіїв заряду, то рух по нанокристалічній фазі покладається балістичним. Співвідношення між двома іншими складовими струму визнається степеню кристалічності матеріалу: за низької степені кристалічності переважатиме рух по аморфній фазі, а за високої –  домінує бар’єрний рух.

В роботі були розглянуті можливі механізми подолання бар’єру на межі поділу нанокристаліт – аморфна матриця: тунелювання носіїв заряду із кристаліту в аморфну матрицю (за низької степені кристалічності) або до сусіднього кристаліту (за високої степені кристалічності) і проходження частинки понад бар’єром до аморфної матриці (за низької степені кристалічності) або до сусіднього кристаліту (за високої степені кристалічності). Однак кількісна оцінка, приведена у роботі, показала, що за кімнатної температури величина термоелектронної емісії нехтовно мала, а тунельний струм матиме досить велике значення лише для товщини бар’єру в декілька нм. Очевидно, при більших відстанях між кристалітами струм вздовж плівки забезпечуватиметься рухом носіїв заряду по аморфній матриці. При цьому з огляду на представлену у роботі зонну модель нанокремнію було встановлено, що єдино можливим шляхом перенесення заряду по аморфній частині матеріалу, є стрибки по хвостам дозволених зон.

Таким чином, було показано, що в загальному випадку струм в нанокристалічному матеріалі має тунельно-стрибкову природу: носії заряду спочатку тунелюють з кристалітів до аморфної матриці, а далі рухаються в ній по локалізованим станам хвостів зон. Було виведено аналітичний вираз тунельно-стрибкової питомої електропровідності:

                 .                    (1)

За високої степені кристалічності рівність (1) переходить у вираз для тунельної питомої провідності:

                               .                                        (2)

Співставлення виразів (1) та (2) показує, що для зразків низької кристалічності множник зменшує величину провідності, а доданок у показнику степені експоненти збільшує величину енергії активації. Отже, запропонована модель електропровідності нанокремнію на відміну від моделі ГКТ пояснює великий розкид у значеннях провідності та енергії активації за кімнатної температури, пов’язуючи його з різною степеню кристалічності матеріалу, яка в свою чергу визначає механізм протікання струму.

Оскільки принцип дії будь-якого фотоприймача складається з таких процесів, як поглинання випромінювання, генерація фотоносіїв і перенесення їх до електричних контактів, то основні характеристики даних приладів визначатимуться в значній мірі шириною забороненої зони матеріалу та його транспортними властивостями. Тому в роботі на основі проведеного вище моделювання було встановлено зв’язок структурних властивостей наноматеріалу, а також його хімічного складу (домішки РЗМ) з основними параметрами фотоприймачів на його основі.

Зокрема було показано, що використання нанокристалічного кремнію для побудови тонкоплівкових фоторезисторів дає змогу керувати їх спектральними характеристиками і отримувати сенсори ІЧ-, видимого та УФ випромінювання зменшуючи розмір кристалітів. Крім того, було встановлено, що чутливість фоторезистора можна значно підвищити, якщо обрати фоточутливу плівку високої степені кристалічності або ввести до її складу домішки рідкоземельних елементів, які виступатимуть у ролі сенсибілізаторів. Також у роботі було проаналізовано переваги використання плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ для побудови гетерофотодіодів. Зменшення розміру кристалітів до декількох нанометрів забезпечує розширення спектрального діапазону фотоприймача, а збільшення їх кількості (степені кристалічності плівки) забезпечує малий послідовний опір шару “вікна”, що зменшує втрати потужності ФЕП. Було показано шляхи впливу домішків РЗМ на фото-ЕРС тонкоплівкового фотоперетворювача. Особливу увагу в роботі було приділено зв’язку наноструктури матеріалу зі стабільністю параметрів ФЕП на його основі до дії інтенсивної засвітки. На основі проведених оцінок було встановлено умови стабільної роботи фотоприймача на основі нанокристалічного кремнію: за низької степені кристалічності плівка має містити кристаліти великого розміру (>15 нм), за високої кристалічності розмір кристалітів не має ніякого значення, плівка може бути і дрібно-, і крупнозернистою.

У третьому розділі були приведені технологічні режими синтезу плівок nc-Si вакуумними методами – методом електронно-променевого випаровування (ЕПВ) і ВЧ-магнетронного розпилення (ВЧ-МР), а також лазерною перекристалізацією. Крім того, показано можливість синтезу плівок nc-Si:РЗМ з концентрацією домішків рідкоземельних елементів, що змінюється в широких межах, чого неможливо досягнути хімічними методами. В даному розділі приведено результати комплексного дослідження структури, хімічного складу, а також електричних та оптичних властивостей плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ.

Методом ПЕМ було встановлено, що плівки переважно мають нанокристалічну будову з кристалітами двох характерних розмірів 35 нм та 1520 нм. Причому як для плівок, отриманих ВЧ-МР, так і для плівок, отриманих ЕПВ, спостерігається відхилення мікроструктури нанокристаліту від тієї, що властива об’ємному матеріалу (тетрагональна та г.ц.к. структура відповідно на відміну від діамантоподібної структури кремнію). Це пов’язується з гратковим спотворенням кристаліту  під дією напружень у тонкій плівці.

У роботі досліджувався вплив технологічних режимів нанесення плівки на її наноструктуру. За даними АСМ було встановлено, що кремнієві підкладки та вищі температури осадження (>200°С) сприяють більш інтенсивному зародкоутворенню, ніж діелектричні підкладки та низькі температури. Також було встановлено, що плівки, отримані методом магнетронного розпилення, характеризуються більш рихлою, аморфною структурою, аніж плівки, отримані методом електронно-променевого випаровування. Після синтезу наноструктурою плівки можна керувати, подаючи певну кількість імпульсів лазерного випромінювання, що було підтверджено в роботі методом просвічуючої електронної мікроскопії. Також згідно результатів, отриманих АСМ та ПЕМ, можна зробити висновок, що наявність рідкоземельних домішок сприяє появі нанокристалітів у товщі аморфної матриці.

Дослідження профілю отриманих структур методом Оже-електронної спектроскопії показало формування двохшарової структури плівки у випадку високої концентрації домішків РЗМ в ній: верхній шар – власне цільова плівка з рівномірним розподілом РЗМ, нижній шар – перехідна область з підвищеним вмістом даних домішків. Як наслідок, можуть погіршуватись властивості межі поділу плівка-підкладка, що важливо при розгляді електричних та оптичних властивостей гетеропереходів. Цього недоліку позбавлені зразки з низькою концентрацією домішків РЗМ, для якої характерно поступове зменшення концентрації при наближенні до підкладки. Спостережувана поведінка даних домішків у кремнієвій плівці пояснюється теорією дифузії та теорією випаровування сплавів.

Також одержані Оже-спектри демонструють гетерні властивості домішків рідкоземельних металів в товщі плівки, демонструючи схожість концентраційного профілю для домішки РЗМ та кисню. Таким чином, домішки Eu/Y, зв’язуючи неконтрольовані домішки, “очищають” товщу плівки від електрично активних дефектів, що створює передумови для покращення електричних та оптичних властивостей плівок. Згідно даних ВІМС було встановлено можливі хімічні зв’язки європію у плівці (по мірі зменшення концентрації): Eu-O, Eu-Eu, Eu-Si, Eu-H, Eu-OH, Eu-C, EuCl, Eu-Si-O, Eu-Si-O2, що якісно узгоджується з даними Оже-електронної спектроскопії.

Крім того, методом РФЕС було вставлено, що європій входить до складу плівки одразу в двох можливих валентностях (+2 та +3), причому при вищих температурах (250°С) переважає двохвалентна форма входження даної домішки.

Далі в роботі були виміряні електричні властивості плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ в залежності від їх структури та хімічного складу.

Було встановлено, що форма вольт-амперних характеристик досліджуваних зразків визначалась типом та температурою підкладки, а саме: ВАХ плівок на діелектричних підкладках (SiO2 та Si3N4) були лінійними, на n-Si – нелінійними, а на р-Si форма характеристик визначалась температурою осадження (з ростом температури спостерігається перехід характеристик від лінійних до нелінійних). Також спостерігалась значна відмінність у величині питомої провідності (від одного до трьох порядків) для плівок, нанесених на діелектричні та кремнієві підкладки. Крім того, максимальні значення темнових струмів на діелектричних підкладках досягаються за високих температур осадження, в той час як для зразків на кремнію максимум може спостерігатися вже при температурах 180°С.

Спостережувані залежності пов’язуються в роботі зі структурними особливостями плівок, оскільки нелінійні ВАХ та вищі значення електропровідності свідчать про появу нанокристалічної структури. Більше того, отримані залежності узгоджуються з даними АСМ (кремнієві підкладки та вищі температури осадження сприяють більш інтенсивному зародкоутворення) і експериментально підтверджують основні положення запропонованої вище моделі електропровідності (вища степінь кристалічності плівки забезпечує різке зростання її питомої електропровідності).

В роботі досліджувався вплив лазерного випромінювання на електрофізичні характеристики зразків. Було встановлено, що лазерне опромінення викликає зміни, відносна величина яких сягає 35 %.  Характер впливу визначається як вихідними технологічними параметрами зразків, так і кількістю поданих імпульсів лазерного випромінювання, причому спостерігається дві тенденції: поступове зростання електричної провідності з подачею імпульсів та поява на цих залежностях максимумів та мінімумів. Спостережувана поведінка пов’язувалась з різною вихідною структурою плівки (повністю аморфна чи з наявними структурними одиницями). Крім того, було встановлено, що лазерне опромінення не змінює форму вольт-амперних характеристик. Це є свідченням того, що лазерне випромінювання не приводить до формування плівки з якісно новою бар’єрною структурою.

Введення домішків рідкоземельних металів (як європію, так і ітрію) викликало зростання величини електропровідності плівок від одного до трьох порядків. Було встановлено, що максимальна відмінність у електричній провідності чистих кремнієвих плівок та плівок з домішками європію має місце за низьких температур осадження, а за високих температур ця величина є одного порядку. Для ітрієвої домішки було показано, що введення 10 ат% ітрію призводить до зростання електропровідності кремнієвої плівки на порядок, тоді як 33 ат% призводить до зростання цієї величини на два порядки.

Спостережуваний вплив домішок РЗМ на електричні властивості плівок пояснювався їх гетерними властивостями і насиченням обірваних зв’язків Si, що підтверджується даними аналізів хімічного складу матеріалу. Крім того, проведені у роботі температурні дослідження опору плівок, узгоджуючись з запропонованими вище модельними уявленнями, показали формування двох домішкових центрів – кисневого та силіцидного, які створюють у забороненій зоні кремнію відповідно неглибокі донорні (0,04…0,05 еВ) та глибокі акцепторні рівні (0,25…0,48 еВ). При цьому було показано, що з ростом температури осадження плівок nc-Si:Eu зростає кількість глибоких акцепторних рівнів (двохвалентний європій), а тому донорна провідність зменшується для таких зразків.   

Дослідження спектрів пропускання нанокристалічних кремнієвих плівок виявило появу піків на межі видимого та ІЧ діапазону довжин хвиль. Було встановлено, що єдиним можливим поясненням спостережуваних осциляцій прозорості є поглинання світла кристалітами, енергетичні рівні яких знаходяться нижче дна зони провідності аморфної матриці, що добре узгоджується з запропонованою вище зонною моделлю нанокремнію. Коефіцієнт пропускання даних зразків у видимому діапазоні знаходиться в межах 40…80 % в залежності від технологічних умов.

Аналіз спектрів поглинання зводився до визначення ширини забороненої зони наноматеріалу методом Тауца. Було встановлено, що в залежності від умов отримання величина становить 1,2…1,8 еВ, що узгоджується з розрахованою вище величиною забороненої зони для розмірів кристалітів 2…5 нм і 20…30 нм.

Четвертий розділ присвячений вивченню електричних характеристик гетеропереходів на основі плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ, а також дослідженню якості межі поділу плівка – підкладка в таких структурах.

Аналіз вольт-амперних характеристик гетероструктур показав формування ізотипних гетеропереходів на підкладках n-Si та анізотипних – на підкладках р-Si. Максимальне значення коефіцієнта випрямлення спостерігалось при температурі осадження 300°С і становило близько 700 при напрузі 1 В.

В роботі вивчався вплив домішок РЗМ на електричні властивості гетеропереходів. Причому було встановлено відмінність у впливі європію та ітрію на ізотипні та анізотипні гетероструктури: домішки європію погіршують електричні властивості як ізотипного, так і анізотипного гетеропереходу, в той час як домішки ітрію за певних температур осадження значно покращують випрямлення анізотипної структури. Вплив домішок рідкоземельних елементів на електричні властивості гетероструктур пов’язувався з виділенням частини РЗМ на межі поділу плівка – підкладка, що підтверджується даними Оже-електронної спектроскопії. Різний вплив цих двох домішків на анізотипні структури може бути пояснений великою різницею у атомних радіусах двох елементів. Через великий атомний радіус введення європію супроводжується  появою на межі поділу плівка – підкладка великої кількості обірваних зв’язків, в той час як невелика відмінність у розмірах атомів ітрію та кремнію спричиняє насичення частини обірваних зв’язків кремнію атомами ітрію, тим самим покращуючи випрямляючі властивості гетероструктури.

В даній роботі дослідження межі поділу плівка – підкладка експериментально проводилось методом вольт-фарадних характеристик, теоретично – методом Термана. Якісний аналіз області збіднення ВФХ структур показав, що з ростом температури осадження спостерігається зсув характеристик у бік від’ємних напруг, а також зміна нахилу ВФХ, що свідчить про більший фіксований додатній заряд у плівці та більшу густину поверхневих станів на межі поділу відповідно. Для кількісного аналізу вказаних параметрів гетерограниці були проведені частотні вимірювання ВФХ у діапазоні 70 кГц…1,2 МГц. Було встановлено, що в даному частотному діапазоні вкладом станів, що знаходяться в плівці та на її межі (повільні стани) можна знехтувати, а вище частоти 645 кГц не встигатимуть перезаряджатись швидкі стани, що знаходяться на межі поділу плівка – підкладка і вклад в ємність плоских зон вноситиме лише фіксований заряд плівки. За виразом зсуву напруги плоских зон при напрузі 645 кГц визначалась величина вбудованого в плівку заряду, яка становила 10-3…10-4 Кл/м2, що приблизно на порядок менше, ніж для системи SiSiO2. Методом Термана було визначено енергетичну густину поверхневих станів, мінімум якої розташований поблизу середини ширини забороненої зони, де дана величина становила 1014…1016 м-2 ·еВ-2.

У п’ятому розділі було досліджено можливість використання плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ у якості активного шару тонкоплівкових фотоприймачів та фотоелектричних перетворювачів. На основі плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ в лабораторії фотоелектричних перетворювачів кафедри мікроелектроніки НТУУ “КПІ” були розроблені та виготовлені експериментальні зразки фоторезисторів, фотодіодів та фотоелектричних перетворювачів.

Отримані у роботі тонкоплівкові фоторезистори характеризуються високою чутливістю до видимого випромінювання, величина якої визначалась параметрами осадження плівки кремнію. Так, більші значення фотоструму спостерігалися у плівках, нанесених на кремнієві підкладки, аніж у плівках, нанесених на діелектричні, причому в структурах на провідних підкладках максимальні значення фотоструму спостерігаються за низьких температур (130180°С), а на діелектричних – за високих (250350°С). Спостережувані закономірності є подібними до залежностей ВАХ плівок від цих же ж параметрів, що були пов’язані зі зміною ступеня кристалічності плівки. Отже, збільшення фотоструму зі зростанням температури осадження повязане з покращенням транспортних властивостей нанокристалічного кремнію. Було експериментально встановлено, що коефіцієнт фоточутливості зростає з ростом степені кристалічності плівки з 60 мкА/лмВ до 2,85 мА/лмВ, досягаючи значень, які значно перевищують фоточутливість відомих аналогів.

Також було показано, що фоточутливістю приймача можна керувати за допомогою лазерного опромінення. При цьому характер залежності коефіцієнта фоточутливості приладу від кількості поданих імпульсів подібний до аналогічної залежності електропровідності плівки, що обумовлено покращенням умов проходження фотоносіїв у зв’язку з утворенням впорядкованих областей в аморфній матриці.

В роботі вперше було показано вплив домішків РЗМ на коефіцієнт чутливості кремнієвих фоторезисторів (рис. 1). При цьому було встановлено, що відповідальною за спостережуване зростання фоточутливості матеріалу при введенні домішків РЗМ є їх сенсибілізуюча дія, а не гетерні властивості. Так, наприклад, введення європію дало змогу підвищити фоточутливість з 90 мкА/лмВ до 1,1 мА/лмВ, а введення ітрію – до 300 мкА/лмВ (при вмісті ітрію у плівці 10 ат%) і до 1,32 мА/лмВ (при вмісті ітрію у плівці 33 ат%). Причому, чим більший вміст домішки РЗМ у плівці, тим більший вплив він здійснює на фоточутливість приймача.

а)                                                                               б)

Рис.1. Порівняльний вплив домішків-сенсибілізаторів різної природи та концентрації на характеристики фоторезисторів: а) ЛАХ; б) коефіцієнт фоточутливості

Покращення фоточутливих властивостей матеріалу спостерігалось при підвищених температурах осадження в той час, як електропровідність плівок зазнавала мінімального впливу РЗЕ, що було в роботі пов’язано з особливістю входження даних домішків в кремнієву матрицю, а саме: за низьких температур (< 200°С) РЗЕ проявляють більше гетерні властивості, створюючи оптично неактивні комплекси в матеріалі, а за високих температур (> 200°С) – дані домішки являють собою пастку для неосновних носіїв заряду, виступаючи в ролі сенсибілізаторів.

Для аналогічних структур, наприклад фоторезисторів на основі плівок CdS, CdSe, коефіцієнт фоточутливості становить сотні мкА/лмВ. В даній роботі було показано, що забезпечуючи відповідні технологічні умови (температура та тип підкладки, вплив лазерного опромінення), а також введенням домішків РЗМ, можна підвищити коефіцієнт фоточутливості тонкоплівкових фоторезисторів на порядок.

При дослідженні фотодіодів було встановлено, що їх властивості значною мірою визначаються якістю межі поділу, яка, як було показано вимірюваннями ВФХ, є задовільною за низьких температур осадження (< 200°С). Зростання чутливості фотодіодів, як до видимого, так і до УФ-випромінювання при впливі лазерного опромінення чи введенні домішків рідкоземельних металів проявляється лише за умови високої якості гетерограниці. Так, обираючи відповідний технологічний режим (анізотипні структури та низькі температури осадження), можна керувати чутливістю фотодіодів за допомогою домішків РЗМ: введення ітрію сприяє зростанню фоточутливості гетероструктури вдвічі (з 0,29 до 0,59 мА/лмВ), а європію – в 5 разів (до 1,18 мА/лмВ). Фотоприймачі, отримані у нашій лабораторії, порівнювались з вітчизняними та зарубіжними кремнієвими p-i-n-фотодіодами, що знаходяться у промисловому виробництві. Було показано, що легування ітрієм та європієм дає змогу отримати фотодіоди з набагато більшим коефіцієнтом фоточутливості,  аніж у світових аналогів.

Дослідження чутливості фотоприймачів до УФ випромінювання продемонструвало ряд особливостей, які пов’язані, з одного боку, з нанокристалічною природою матеріалу, а з іншого боку, з структурою енергетичних рівнів домішків РЗМ. Тобто було встановлено, що чутливість до УФ випромінювання визначається в більшій мірі особливостями процесу поглинання матеріалу, аніж його транспортними властивостями.  Зокрема було показано, що залежність коефіцієнта УФ-чутливості від кількості імпульсів лазерного опромінення носить протилежний характер, ніж аналогічна залежність для коефіцієнта фоточутливості. Така відмінність залежностей пов’язувалась з квантово-розмірним ефектом, внаслідок дії якого наявність дрібних кристалітів призводить до зростання ширини забороненої зони матеріалу, що, свою чергу, забезпечує збільшення чутливості до УФ випромінювання. При досягненні кристалітами певного розміру вони вибувають з процесу поглинання високо енергетичних фотонів.

Крім того, у роботі вперше було продемонстровано значне підвищення УФ-чутливості кремнієвого матеріалу при введенні домішків РЗМ (з 1,85 до 1,9 мА/лмВ для ітрію (10 ат%), до 2,18 мА/лмВ для ітрю (33 ат%), до 11,2 мА/лмВ для європію). Спостережувані закономірності пояснювались тим, що іони РЗМ поглинають фотони в ультрафіолетовому діапазоні і перевипромінюють у видимому діапазоні, забезпечуючи тим самим підвищення загальної ефективності поглинання приймача.

Не залежно від умов отримання та хімічного складу фотоелектричних перетворювачів ізотипні структури не проявляли фотоелектричний ефект в той час, як анізотипні гетеропереходи характеризувались величиною фото-ЕРС 120400 мВ, що пояснювалось формуванням значного бар’єру на межі поділу плівка – підкладка в анізотипних гетеропереходах. Причому, як і для гетерофотодіодів, для ФЕП максимальне зростання фото-ЕРС спостерігається за низькотемпературного режиму синтезу (< 200°С), за якого якість межі поділу найкраща.

В роботі вперше досліджувався вплив домішок рідкоземельних металів на величину фото-ЕРС. Було встановлено, що максимальні значення Uxx тонкоплівкового фотоелектричного  перетворювача на основі чистих кремнієвих плівок (250300 мВ) можна покращити шляхом введення європію (380 мВ) чи ітрію (400 мВ).

У роботі було проведено дослідження стабільності фотоелектричних параметрів ФЕП до дії інтенсивної засвітки і встановлено дві особливості використання даного матеріалу порівняно з використанням плівок аморфного кремнію. По-перше, швидка стабілізація параметрів сонячного елемента під дією інтенсивної засвітки (близько 1 год), що значно менше, аніж для аморфних ФЕП (десятки годин). По-друге, величина, деградації параметрів приладу знаходилась в межах 1,5…10,5 %, що значно нижче, ніж для аморфного кремнію (20…30 %). Також в роботі було встановлено, що деградація характеристик ФЕП зменшується більш, ніж удвічі, коли структура нанокристалічної плівки прямує від дрібно- до крупнозернистої, що узгоджується з теоретичними оцінками, представленими вище.

У роботі були запропоновані шляхи подальшого покращення параметрів нанокристалічних ФЕП: використання просвітляючого покриття (зменшує втрати на відбивання світла до 30 %) і використання буферного шару на межі поділу плівка – підкладка з метою одержання так званої НІТ-структури, що дасть змогу збільшити напругу холостого ходу з 370 до 600 мВ та струм короткого замикання з 6 до 30 мА/см2.

ВИСНОВКИ

В даній роботі були досліджені властивості тонких плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ, а також гетероструктур на їх основі в залежності від технологічних умов отримання, лазерного опромінення і наявності домішків (Eu, Y). При цьому отримані наступні результати:

  1.  Показано можливість синтезу плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ з концентрацією домішків рідкоземельних металів, що змінюється в широких межах, вакуумними методами. При цьому на основі сукупності структурних аналізів встановлено вплив технологічних параметрів на розмір та кількість кристалітів, а на основі хімічних аналізів показано особливості концентраційного розподілу і зарядового стану домішків РЗМ. Визначені залежності використовуються під час розробки технології отримання кремнієвої плівки заданої структури та хімічного складу для застосування в фотоприймачах та фотоперетворювачах.
  2.  При моделюванні зонної будови нанокристалічного кремнію запропоновано розглядати структуру кристаліт – тунельно-тонкий діелектрик – аморфна матриця, що дало змогу розрахувати ширину забороненої зони кремнієвого нанокристаліту в напівпровідниковому середовищі, на відміну від існуючих моделей для кристалітів в діелектричних матрицях.
  3.  Проведене у роботі моделювання РЗМ-домішкових центрів в нанокристалічному кремнію разом з температурними дослідженнями опору плівок показало формування двох домішкових центрів – кисневого та силіцидного, які створюють у забороненій зоні кремнію відповідно неглибокі донорні та глибокі акцепторні рівні. В результаті на противагу наявним на сьогодні дослідженням пояснено донорний тип провідності кремнієвих плівок, легованих РЗМ.
  4.  Вперше запропоновано механізм провідності за низької степені кристалічності плівки – тунельно-стрибковий, який змінюється на тунельний механізм за високої степені кристалічності плівки. Дана модель на відміну від моделі гетеро-квантових точок дає змогу пояснити відмінність у величині питомої провідності від одного до трьох порядків для плівок з різною степеню кристалічності.
  5.  Вперше показано особливості впливу наноструктури та домішків РЗМ на чутливість фоторезисторів до видимого та ультрафіолетового випромінювання. Встановлено, що фоточутливість зростає з ростом степені кристалічності плівки, а УФ-чутливість – зі зменшенням розмірів кристалітів. Крім того, показано, що домішки РЗМ являються сенсибілізаторами чутливості при дії видимого випромінювання, а їх вплив при опроміненні ультрафіолетом обумовлений специфічною структурою енергетичних рівнів рідкоземельних іонів. Отримані результати дають змогу визначити технологічні режими, в яких фото- та УФ-чутливість фоторезисторів досягає максимальних значень, перевищуючи величину чутливості відомих аналогів.
  6.  При дослідженні фотодіодів показано, що зростання чутливості фотоприймача, як до видимого, так і до УФ-випромінювання при впливі лазерного опромінення чи введенні домішків рідкоземельних металів проявляється лише за умови високої якості гетерограниці, яка забезпечувалась в низькотемпературних режимах синтезу. Отриманий результат дає змогу визначити технологічні умови отримання фотодіодів з фоточутливістю, що є значно вищою, аніж у світових аналогів.
  7.   В роботі вперше досліджувався вплив домішок рідкоземельних елементів на величину фото-ЕРС, що дало можливість встановити оптимальні технологічні режими отримання фотоперетворювачів. Показано, що використання нанокристалічного кремнію в сонячних елементах значно зменшує величину деградації характеристик приладу порівняно з його аморфним аналогом.

Таким чином, проведене у роботі дослідження показало потенційну можливість використання плівок nc-Si та nc-Si:РЗМ у якості активного шару високочутливих тонкоплівкових фоторезисторів та фотодіодів, а також фотоелектричних перетворювачів високої стабільності.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Коваль В. М. Нанокристалічний кремній з керованими напівпровідниковими властивостями / В. М. Коваль, О.М. Шмирєва // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2005. – №4. – С. 14 – 28.
  2.  Коваль В. М. Гетероструктурные преобразователи на основе нанокристаллического кремния / В. М. Коваль, А. Н. Шмырева // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2006. – №145. – С. 57 –  62.
  3.  Коваль В. М. Дослідження домішкових центрів Eu в кремнієвих плівках / В. М. Коваль, О.М. Шмирєва // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2007. – №5. – С. 36 – 40.
  4.  Шмырева А. Н. Особенности лазерной перекристаллизации тонких пленок кремниевых сплавов, легированных РЗМ / А. Н. Шмырева, В. М. Коваль // Электроника и связь. Тематический выпуск “Проблемы электроники”. – 2007. – Т. 3. – С. 27 – 32.
  5.  Коваль В. М. Дослідження властивостей межі поділу Si морфологічних структур / В. М. Коваль, О.М. Шмирєва // Электроника и связь. – 2007. – №3. – С. 5 – 12.
  6.  Коваль В. М. Розрахунок зонної моделі нанокристалічного кремнію / В. М. Коваль // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2009. – Т. 7, №4. – С. 987 – 998.
  7.  Коваль В. М. Модельні уявлення про входження рідкоземельних домішок (Eu і Y) в нанокристалічний кремній / В. М. Коваль // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2009. – №6. – С. 5 – 9.
  8.  Koval V. M. Thin film Si:Eu and Si:Y composites / V. M. Koval, Yu. S. Chechuga // Functional Materials. – 2010. – Vol. 17, №1. – С. 8589.
  9.  Koval V. M. Nanocrystalline silicon heterostructure converters / V. M. Koval, A. N. Shmyryeva // Book of abstracts of Second International Conference on Physics of Laser Crystals. – Yalta. – 2005. – C. 35 – 36.
  10.  Шмырева А. Н. Тонкопленочный нанокристаллический кремний, легированный иттрием, и гетероструктурные преобразователи на его основе / А. Н. Шмырева, В. М. Коваль, Ю. В. Ясиевич, Б. А. Рудой, М. Г. Душейко // Сборник тезисов VI Международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноэлектроника”. – Киев. – 2005. – С. 120 – 121.
  11.  Якименко Ю. И. Нанокристаллические пленки сплавов кремния и европия / Ю. И. Якименко, А. Н. Шмырева, В. М. Коваль // Сборник тезисов VII Международного российско-украинского семинара “Нанофизика и наноэлектроника”. – Санкт-Петербург. – 2006. С. 91 – 92.
  12.  Коваль В. М. Гетероструктурные преобразователи на основе нанокристаллических кремниевых пленок nc-Si:Eu / В. М. Коваль, А.Н. Шмырева // Сборник докладов 18-ого Международного симпозиума “Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике”. – Харьков. – 2006. С. 184 – 187.
  13.  Коваль В. М. Структурные, оптические и фотоэлектрические свойства тонких пленок нанокристаллического кремния / В. М. Коваль, А.Н. Шмырева, Ю. В. Ясиевич, М. Г. Душейко // Сборник докладов 19-ого Международного симпозиума “Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике”. – Харьков. – 2007. С. 18 – 21.

АНОТАЦІЯ

Коваль В. М. Тонкі плівки нанокристалічного кремнію, леговані європієм та ітрієм, для оптоелектроніки. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук  за спеціальністю 05.27.01 – Твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України "КПІ", Київ, 2010.

Робота присвячена розробці технології отримання тонких плівок нанокристалічного кремнію, легованого європієм та ітрієм, а також гетеропереходів на їх основі для оптоелектроніки.

Було проведено моделювання впливу нанокристалітів та домішок рідкоземельних металів на зонну будову та електропровідність матеріалу, а також показано їх вплив на фоточутливі характеристики фотоприймачів, що забезпечило теоретичне підгрунття у пошуку оптимальних технологічних режимів.

За допомогою структурних та хімічних методів аналізу матеріалу встановлено звязок наноструктури та хімічного складу плівок з технологічними параметрами синтезу.

В роботі було встановлено, що електропровідність та фоточутливість нанокристалічних кремнієвих плівок зростає при збільшенні степені кристалічності матеріалу, в той час як зростання УФ-чутливості спостерігається при зменшенні розмірів нанокристалітів. Встановлено зростання електропровідності, фото- та УФ-чутливості кремнієвої плівки при введенні до її складу домішків рідкоземельних металів. Також в роботі досліджувався вплив домішок РЗМ на величину фото-ЕРС гетеропереходів на основі плівок нанокристалічного кремнію. Було запропоновано технологічні режими, в яких фото- та УФ-чутливість фоторезисторів і фотодіодів, а також ефективність та стабільність фотоелектричних перетворювачів досягає максимальних значень.

Ключові слова: плівки нанокристалічного кремнію, нанокристаліти, домішки рідкоземельних металів, європій, ітрій, фоторезистори, фотодіоди, фотоелектричні перетворювачі, фоточутливість, УФ-чутливість, фото-ЕРС, стабільність.

АННОТАЦИЯ

Коваль В. М. Тонкие пленки нанокристаллического кремния, легированные европием и иттрием, для оптоэлектроники. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника. – Национальный технический университет Украины "КПИ", Киев, 2010.

Работа посвящена разработке технологии получения тонких пленок нанокристаллического кремния, легированного европием и иттрием, а также гетеропереходов на их основе для оптоэлектроники. 

Для расчета ширины запрещенной зоны наноматериала было предложено рассмотреть структуру кристаллит – туннельно-тонкий диэлектрик – аморфная матрица, что дало возможность получить хорошее согласование с экспериментальными данными, полученными из спектров поглощения.

Проведенное в работе моделирование РЗМ-примесных центров в нанокристаллическом кремнии вместе с температурными исследованиями сопротивления пленок показало формирование двух примесных центров – кислородного и силицидного, которые образуют в запрещенной зоне кремния соответственно мелкие донорные и глубокие акцепторные уровни.

Был предложен механизм электропроводности нанокремния при низкой степени кристалличности пленки – туннельно-прыжковый, который переходит в туннельный механизм при высокой степени кристалличности пленки. Данная модель дает возможность объяснить отличие величины электропроводности от одного до трех порядков для пленок с разной степенью кристалличности.

В работе была показана возможность синтеза пленок nc-Si и nc-Si:РЗМ с концентрацией примеси редкоземельных металлов, которая изменяется в широких пределах, вакуумними методами. При этом на основе структурных анализов было установлено влияние технологических параметров на размер и количество кристаллитов, а на основе химических анализов показаны особенности концентрационного распределения и зарядового состояния примесей РЗМ.  

Экспериментально было показано, что возрастание электропроводности и фоточувствительности нанокристаллических кремниевых пленок определяется улучшением транспортных свойств материала при увеличении степени кристалличности, в то время как возрастание УФ-чувствительности определяется квантово-размерным эффектом при уменьшении размеров кристаллитов. Также было установлено влияние европия и иттрия на основные свойства материала. Было показано, что данные примеси в фотопроводимости выступают в качестве сенсибилизаторов, а при облучении ультрафиолетом эффективно его поглощают из-за специфического строения энергетических уровней. Были предложены технологические режимы, в которых фото- и УФ-чувствительность фоторезисторов достигает максимальных значений.

Исследование характеристик фотодиодов показало, что возрастание чувствительности фотоприемника, как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра при влиянии лазерного излучения или введении примесей редкоземельных элементов проявляется только при условии высокого качества гетерограницы, которая обеспечивалась в низкотемпературных режимах синтеза.

В работе приведены результаты исследования влияния примесей редкоземельных металлов на величину фото-ЭДС, причем было установлены оптимальные технологические режимы для получения максимальной эффективности преобразования солнечной энергии. Также было показано особенности деградационных характеристик ФЭП на основе пленок нанокристаллического кремния по сравнению с их аморфными аналогами.

Таким образом, полученные в работе результаты показали потенциальную возможность использования пленок нанокристаллического кремния, легированного европием и иттрием, в качестве активного слоя высокочувствительных тонкопленочных фоторезисторов и фотодиодов, а также фотоэлектрических преобразователей высокой стабильности.

Ключевые слова: пленки нанокристаллического кремния, нанокристаллиты, примеси редкоземельные металлов, европий, иттрий, фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлектрические преобразователи, фоточувствительность, УФ-чувствительность, фото-ЭДС, стабильность.

ABSTRACT

Koval V. M. The nanocrystalline silicon thin films, doped with europium and yttrium, for optoelectronics.  Manuscript.

The thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.27.01 – Solid-state electronics. – National Technical University of Ukraine "KPI", Kyiv, 2010.

Work is devoted to development of technology of nanocrystalline silicon thin films, doped with europium and yttrium, and also heterojunction on their base for optoelectronics.

The design of influence of nanocrystallites and rare-earth dopants on band structure and material’s electroconductivity was carried out, also it was shown their influence on photosensitive characteristics of photoreceivers that provided the theoretical base in search of suitable technological conditions.   

By means of structural and chemical methods of material’s study it was found relation of film’s nanostructure and chemical composition with technological parameters.  

In the work it was found that electroconductivity and photosensitivity of nanocrystalline silicon thin films increases with growth crystalline fraction in material, while increase in UV-sensitivity is observed with decreasing of nanocrystallite size. It was shown the increasing of electroconductivity, photo- and UV-sensitivity in silicon thin film under condition of rare-earth metals incorporation. Also the influence of rare-earth dopants on photo-EMF of heterojunctions on the base of nanocrystalline silicon thin films was studied in this work. It was proposed the technology, in which photosensitivity and UV-sensitivity of photoresistors and photodiodes as well as effectiveness and stability of photovoltaic converters reaches the maximum values.

 Keywords: nanocrystalline silicon films, nanocrystallites, rare-earth dopants, europium, yttrium, photoresistors, photodiodes, photovoltaic converters, photosensitivity, UV-sensitivity, photo-EMF, stability.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57801. Розмноження та розвиток птахів 83 KB
  Мета уроку. Сформувати поняття про поведінку птахів під час розмноження, звернути увагу складність будови пташиного яйця на типи розвитку птахів, ознайомити з різноманітністю гнізд, з’ясувати риси ускладнення розмноження та розвитку птахів порівняно з плазунами...
57802. Різноманітність птахів, їх значення для людини. Охорона птахів 119 KB
  Узагальнити та систематизувати знання знання учнів про птахів; розкрити їх роль у екосистемах та господарстві людини; перевірити рівень засвоєння матеріалу; продовжити формувати вміння узагальнювати...
57803. Інтегрований урок з математики та біології. Відсотки. Розв’язування задач на відсотки 44 KB
  Мета уроку: формувати практичні вміння і навички учнів застосовувати набуті знання до розв’язування різних типів задач на відсотки; розвивати логічне мислення творчі та інтелектуальні здібності учнів...
57804. Раціональні числа. Порівняння, додавання та віднімання раціональних чисел 59 KB
  Вчитель повідомляє тему та мету уроку ставить завдання перед учнями на даний урок Слайд 4 ІІІ. Актуалізація опорних знань Повторення вивченого матеріалу Перевірка домашнього завдання в усній формі або ш ляхом...
57805. Умножение рациональных чисел 84.5 KB
  Цели урока: Образовательные: организовать деятельность учащихся по общению и систематизация знаний в рамках темы Умножение положительных и отрицательных чисел повысить уровень осмысления учащимися изученного материала.
57806. Розв’язування раціональних рівнянь 214 KB
  Мета: навчальна: удосконалити вміння і навички розв’язувати раціональні рівняння; формувати вміння розв’язувати задачі за допомогою рівняння робити висновки.
57807. Візитна картка Харкова: вулиці, храми, пам’ятники 2.7 MB
  The topic of our lesson is “The Places of Interest of Kharkiv”. I think we can talk about our precious city for hours. But we have only 45 minutes during which we’ll try to visit many corners of our precious city, see famous places of Kharkiv. Of course, we can do it only virtually, but I hope it will be interesting for you despite the fact that it’s an imaginary journey.
57808. Основні річкові басейни та їхня характеритика. Річкові системи Дніпра, Дунаю, Дністра, Південного Бугу, Сіверського Дінця 75.5 KB
  Мета уроку: Систематизувати знання про річки та використовувати ці знання на темі річки України вміти давати оцінку а також розширити свої знання про най більші річки України.
57809. Річкова система, річковий басейн, вододіл. Елементи річкової долини. Пороги і водоспади 87 KB
  Мета: поглиблення та систематизація знань про річку; формування первинних практичних навичок визначати за картою напрямок течії річки знаходити частини річки ліві та праві притоки; виховувати бережливе ставлення до води.