РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ВИДИМОЙ ФЛ, ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ,
КОЛЕБАТЕЛЬНЫМИ СПЕКТРАМИ, СТРУКТУРОЙ И УСЛОВИЯМИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО
ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Нашей задачей было получить nc-Si пленки, обладающие видимой ФЛ при комнатной
температуре, и установить взаимосвязь между условиями ИЛО, составом,
структурой, оптическими свойствами и появлением сигнала видимой ФЛ. Для этой
цели нам потребовалось:
– разработать технологию формирования nc-Si пленок методом ИЛО и установить
влияние условий осаждения на появление сигнала ФЛ;
– измерить спектры отражения и пропускания nc-Si пленок, полученных при
различных технологических условиях, рассчитать спектральные зависимости
оптических коэффициентов, проанализировать оптические свойства пленок и
установить состав пленок оптическим методом;
– изучить структурные свойства и состав пленок микроскопическими методами,
измерить колебательные спектры методами КРС, РФС и ИК спектроскопии;
– получить фотолюминесцентные слои por-Si методом окрашивающего травления с
предварительной лазерной обработкой монокристаллического кремния, провести
сравнение nc-Si пленок, сформированных ИЛО и полученных слоев por-Si, обобщить
результаты для nc-Si, полученного различными методами;
– установить структурную модель nc-Si с ФЛ в видимой области спектра при
комнатной температуре.
2.1. Разработка методов и получение nc-Si пленок импульсным лазерным
осаждением. Исследование влияния условий формирования пленок на появление
сигнала ФЛ в видимой области спектра
Как уже было отмечено, пленки nc-Si имеют ряд преимуществ перед слоями por-Si.
Нами разработаны методы получения nc-Si пленок импульсным лазерным осаждением
[59, 65] (рис. 2.1). Установка была собрана на основе стандартного вакуумного
поста НВА-120/2 с остаточным давлением около
10-3 Па и импульсного лазера YAG:Nd3+ (1), работающего в режиме модулированной
добротности с длиной волны излучения l = 1.06 мкм, энергией в импульсе
Eи = 0.2 Дж, при длительности импульсов t = 10 нс и частоте их повторения
25 Гц. Луч лазера, сфокусированный в пятно диаметром 500 мкм, сканировал мишень
(5) из монокристаллического кремния. Давление реактивного газа (кислорода или
азота) или инертного (гелия или аргона) в камере изменяли в пределах от
1.5.10-2 до 100 Па (2 – подвод газа, 8 – откачка газа). Осаждение проводили
либо из прямого высокоэнергетического потока частиц эрозионного факела (4) на
подложку, удаленную от мишени на расстояние
~ 30 мм (7), либо из обратного низкоэнергетического – на подложку,
расположенную в плоскости мишени (6).
Непосредственно после лазерного облучения поверхности мишени формируется
разогретая плазма частиц материала мишени, расширяющаяся в форме факела по
нормали к поверхности. По данным [19] Адиабатическое расширение и охлаждение
факела через 50 – 100 нс после лазерного импульса приводит к конденсации
кластеров. Размеры и распределение по размерам нанокластеров в факеле
определяется механизмом гидродинамического расширения и сильно зависит от
начальных условий – мощности лазерного излучения и давления газа в камере.
Технологический процесс получения всех групп образцов включал предварительную
очистку подложки и мишени в растворах азотной и плавиковой кислот с последующей
промывкой в дистиллированной воде. После этого образцы помещали в вакуумную
камеру, давление в которой сначала снижали до минимального остаточного,
составлявшего ~ 10-3 Па, а затем осуществляли “промывку” гелием, вводя его
через натекатель до давления ~ 10 Па. После этого давление снова снижали до
остаточного и через тот же натекатель вводили реактивный или инертный газ.
Рис. 2.1. Схема установки для формирования nc-Si пленок.
Скорость роста nc-Si пленок из прямого потока частиц составляла
3 – 5 нм/мин. Исследования зависимости интенсивности ФЛ от технологических
параметров показали, что без введения реактивного газа в камеру во время
напыления (т.е. при остаточном давлении) пленки не обладали видимой ФЛ. Ее
интенсивность увеличивалась с увеличением давления реактивного газа p, была
максимальной по величине при давлениях 6.5 Па и при последующем увеличении
давления уменьшалась (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Зависимость максимальной интенсивности ФЛ с временным разрешением
(tФЛ < 50 нс) nc-Si пленок, полученных осаждением из прямого потока частиц
факела, от давления кислорода Ро2, Па: 1 – 1.33Ч10-3 (остаточное давление в
камере); 2 – 1.33; 3 – 6.65;
4 – 13.3. Здесь и далее номера точек соответствуют типам образцов.
Рис. 2.3. Спектры ФЛ с временным разрешением (tФЛ < 50 нс) nc-Si пленок,
полученных осаждением из прямого потока частиц факела при давлении кислорода
Ро2, Па:
2 – 1.33; 3 – 6.65; 4 – 13.3.
На рис. 2.3 приведены спектры ФЛ образцов, полученных при осаждении из прямого
потока частиц. Видно, что видимой ФЛ в широком диапазоне энергий от 1.6 до 3.2
эВ обладают только образцы, полученные при давлениях реактивного газа в
диапазоне от 1.3 до 15 Па. Причем максимум спектров ФЛ пленок, полученных при
бoльших давлениях сдвинут в область бoльших энергий.
При осаждении nc-Si пленок из обратного потока частиц в камеру вводили
инертный газ гелий или аргон при давлениях 65 или 6.5 Па соответственно.
Механизм формирования заключается во взаимодействии частиц факела с инертным
газом, что приводит к рассеянию энергии частиц, их торможению и осаждению в
плоскость мишени. При этом вблизи точки распыления оседали более крупные
частицы. Таким образом, появилась возможность независимо управлять размерами Si
НК. Поскольку напыление производили в атмосфере инертного газа
- Київ+380960830922