Научная тема: «ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ АНСАМБЛИ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ»
Специальность: 01.04.10
Год: 2014
Отрасль науки: Физико-математические науки
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  1. Спектр поглощения пленок nc-Si/a-Si:H зависит от содержащейся в них объемной доли кристаллической фазы. При объемной доле кристаллической фазы менее ~50 % процессы генерации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:H определяются главным образом аморфной матрицей. Увеличение объемной доли кристаллической фазы в матрице a-Si:H до 50% приводит к возрастанию коэффициента поглощения в области энергий кванта h<12 эВ, что может быть связано с образованием дополнительных дефектов типа «оборванных» связей за счет разрыва слабых Si-Si связей и эффузии водорода из пленки в результате изменения структуры материала. В пленках nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %) характер спектральной зависимости коэффициента поглощения близок к аналогичной зависимости для c-Si и практически не зависит от уровня легирования. Оптическая ширина запрещенной зоны такой системы, полученная из анализа спектральной зависимости коэффициента поглощения в области hv>12 эВ, равна 1.12 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны c-Si. Коэффициент поглощения в области hv<1.2 эВ определяется состояниями дефектов, основная часть которых находится на границах колонн нанокристаллов.
  2. В пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долей кристаллической фазы (примерно 10 %) наблюдается сигнал ЭПР, приписываемый электронам, захваченным в хвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальное изменение спектров ЭПР при введении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфную матрицу, позволяет использовать ЭПР-спектроскопию для детектирования малой доли нанокристаллов в наномодифицированном аморфном кремнии.
  3. В случае пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %) носители заряда движутся по делокализованным состояниям колонн нанокристаллов, преодолевая потенциальные барьеры на границах колонн. Энергия активации темновой проводимости пленок nc-Si/a-Si:H определяется положением уровня Ферми и высотой потенциальных барьеров на границах колонн нанокристаллов. С уменьшением объемной доли кристаллической фазы пропадает перколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, и перенос носителей заряда происходит по аморфной фазе. При этом наблюдается резкое уменьшение проводимости. Значение объемной доли кристаллической фазы в пленках nc-Si/a-Si:H, при которой возникает перколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, сильно зависит от метода и условий получения пленок.
  4. Процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда в пленках nc-Si/a- Si:H сильно зависят от температуры и объемной доли кристаллической фазы. В области низких температур (T<210-230 К) для пленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %) имеет место туннельный механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния на границах нанокристаллов. С увеличением температуры рекомбинация также происходит через состояния на границах колонн нанокристаллов, но при этом она не носит туннельного характера. Изменение фотопроводимости при варьировании доли кристаллической фазы в структурах nc-Si/a-Si:H имеет немонотонный характер и определяется изменением подвижности и времени жизни носителей заряда, однако при любой объемной доле кристаллической фазы основными рекомбинационными центрами выступают оборванные связи на границах нанокристаллов с аморфной фазой и порами.
  5. Освещение слабо легированных пленок nc-Si/a-Si:H p-типа, обладающих большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %), в атмосфере сухого воздуха приводит к увеличению их проводимости и фотопроводимости, причем уменьшение давления остаточных газов в камере вызывает уменьшение наблюдаемых эффектов, и при освещении пленки в вакууме P=10-3 Па указанные эффекты вообще не наблюдаются. Влияние окружающей среды может быть связано с адсорбцией кислорода на границах нанокристаллов и внешней поверхности пленки nc-Si/a-Si:H.
  6. В области низких температур электронный транспорт в слоях nc-Si/SiO2 осуществляется путем последовательного туннелирования между соседними кремниевыми нанокристаллами, а с повышением температуры начинает преобладать перенос носителей заряда по локализованным состояниям в SiO2. При малом числе слоев nc-Si и SiO2 в структурах Au - nc-Si/SiO2 - c-Si на границе подложки с-Si с оксидной матрицей существует потенциальный барьер для электронов, который определяет проводимость всей структуры.
  7. Анизотропия формы ансамблей кремниевых нанокристаллов в слоях анизотропного пористого кремния приводит к анизотропии проводимости. Проводимость слоев пористого кремния вдоль кристаллографического направления [110] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чем вдоль кристаллографического направления [001]. Энергия активации температурной зависимости проводимости для направления [110] меньше, чем для направления [001]. Отношение значений проводимости вдоль кристаллографических направлений [110] и [001] уменьшается с увеличением частоты приложенного переменного электрического сигнала, однако, остаётся достаточно большим даже при частотах ~10 МГц.
  8. Механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда в ПК с нанокристаллами, обладающими анизотропией формы, носит туннельный характер (вплоть до комнатных температур), а основными рекомбинационными центрами являются состояния на границах нанокристаллов. Фотопроводимость ансамблей кремниевых нанокристаллов в слоях пористого кремния вдоль кристаллографического направления [110] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чем вдоль кристаллографического направления [001].
  9. Изменение поверхностного покрытия нанокристаллов в ПК за счет адсорбции активных молекул, приводит к значительному изменению как концентрации носителей заряда, так и их подвижности. Имеется возможность увеличения на несколько порядков значений концентрации и подвижности свободных носителей заряда в ПК посредством адсорбции активных молекул. Заметное изменение подвижности носителей заряда в ПК при адсорбции может объясняться изменением высоты потенциального барьера на границах нанокристаллов
Список опубликованных работ
А1 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Теруков, Е.И., Форш, П.А. Поглощение и фотопроводимость в компенсированном бором uс-Si:H. - ФТП. - 2000. - Т. 34. - Вып. 3. - С. 373-375.

А2 Казанский, А.Г., Козлов, С.Н., Мелл, Х., Форш, П.А. Влияние освещения на электрические и фотоэлектрические пвраметры uс-Si:H, слаболегированного бором. - Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26. - Вып. 10. - С. 17-21.

А3 Forsh, P.A., Kazanskii, A.G., Mell, H., Terukov, E.I. Photoelectrical properties of microcrystalline silicon films. - Thin Solid Films. - 2001. - V. 383. - P. 251-253.

А4 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Теруков, Е.И., Форш, П.А. Влияние температуры на фотопроводимость и кинетику ее спада в микрокристаллическом кремнии. - ФТП. - 2001. - Т. 35. - Вып. 8. - С. 991-993.

А5 Казанский, А.Г., Форш, П.А. Влияние освещения на параметры пленок микрокристаллического гидрированного кремния с различным уровнем легирования бором. - Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия. - 2001. - № 6. - С. 51-54.

А6 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Теруков, Е.И., Форш, П.А. Влияние уровня легирования на фотопроводимость пленок микрокристаллического гидрированного кремния. - ФТП. - 2002. - Т. 36. - Вып. 1. - С. 41-43.

А7 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Форш, П.А. Влияние термического отжига на оптические и фотоэлектрические свойства пленок микрокристаллического гидрированного кремния. - ФТП. - 2003. - Т. 37. - Вып. 2. - С. 235-237.

А8 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Форш, П.А. Фотоиндуцированное изменение проводимости пленок аморфного гидрированного кремния, легированного эрбием. - ФТП. - 2003. - Т. 37. - Вып. 7. - С. 793-796.

А9 Казанский, А.Г., Форш, П.А., Хабарова, К.Ю., Чукичев, М.В. Влияние электронного облучения на оптические и фотоэлектрические свойства микрокристаллического гидрированного кремния. – ФТП. – 2003. – Т. 37. – Вып. 9. – С. 1100-1103.

А10 Казанский, А.Г., Мелл, Х., Теруков, Е.И., Форш, П.А. Оптические и фотоэлектрические свойства микрокристаллического кремния, компенсированного бором. - Материалы электронной техники. – 2003. – Т. 2. – С. 56-59.

А11 Форш, П.А., Осминкина, Л.А., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К. Особенности электрического транспорта в анизотропно наноструктурированном кремнии.-ФТП. – 2004. – Т. 38. – Вып. 5. – С. 626-629.

А12 Chukichev, M.V., Forsh, P.A., Fuhs, W., Kazanskii, A.G. Creation of metastable defects in microcrystalline silicon films by keV electron irradiation. - Jorn. Non-Cryst. Solids. – 2004. – V. 338-340. – P. 378-381.

А13 Forsh, P.A., Osminkina, L.A., Zhigunov, D.M., Timoshenko, V.Yu., Kashkarov, P.K. Strong anisotropy of lateral electrical transport in (110) porous silicon films. - Phys. Stat. Sol. (c). – 2005. – V. 2. – No. 9. – P. 3404-3408.

А14 Форш, П.А., Мартышов, М.Н., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К. Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния. – ФТП. – 2006. – Т. 40. – Вып. 4. – С. 476-481.

А15 Рябчиков, Ю.В., Форш, П.А., Лебедев, Э.А., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К., Kamenev, B.V., Tsybeskov, L. Перенос носителей заряда в структуре с кремниевыми нанокристаллами, внедренными в оксидную матрицу. – ФТП. – 2006. – Т. 40. – Вып. 9. – С. 1079-1081.

А16 Forsh, P.A., Martyshov, M.N., Timoshenko, V.Yu., and Kashkarov, P.K. Impedance spectroscopy of in-plane anisotropic porous silicon films. - Phys. Stat. Sol. (c). – 2007. – V.4. – P. 1981-1985.

А17 Форш, П.А., Мартышов, М.Н., Латышева, А.П., Воронцов, А.С., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К. Подвижность носителей заряда в слоях пористого кремния. – ЖЭТФ. – 2008. – Т. 134. – Вып. 6(12). – С. 1195-1199.

А18 Мартышов, М.Н., Шапошников, Л.В., Форш, П.А., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К. Исследования ориентационной зависимости электропроводности в слоях анизотропного пористого кремния. - Материалы электронной техники. – 2008. - Т. 4. – С. 35-38.

А19 Martyshov, M.N., Forsh, P.A., Timoshenko, V.Yu., Kashkarov, P.K. Electrical conductivity in anisotropic porous silicon films. - Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics. – 2009. – V. 4. - № 1. – P. 134-136.

А20 Форш, П.А., Агафонова, Е.А., Мартышов, М.Н., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров, П.К. Влияние термического окисления на анизотропию электропроводности и фотопроводимости наноструктурированного кремния. - Технология и

конструирование в электронной аппаратуре. – 2009. - № 6. – С. 35-37.

А21 Агафонова ,Е.А., Мартышов, М.Н., Форш, П.А., Тимошенко, В.Ю., Кашкаров П.К. Влияние термического окисления на перенос носителей заряда в наноструктурированном кремнии. – ФТП. – 2010. – Т.44. – Вып. 3. – С. 367-371.

А22 Казанский, А.Г., Форш, П.А., Теруков, Е.И., Kleider, J.P. Фотопроводимость пленок гидрированного кремния с двухфазной структурой. – ФТП. – 2010. – Т. 44. – Вып. 4. – С. 513-516.

А23 Форш, П.А., Гаврилюк, А.С., Форш, Е.А., Жигунов, Д.М., Мартышов, М.Н., Антоновский, А.А., Сысоев, И.Д., Воронцов, А.С., Кашкаров, П.К. Проводимость структур с кремниевыми нанокристаллами в оксидной матрице. - Российские нанотехнологии. – 2011. – Т. 6. - № 1-2. – С. 118-121.

А24 Казанский, А.Г., Теруков, Е.И., Форш, П.А., Хенкин, М.В. Особенности фотоэлектрических и оптических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных плазмохимическим осаждением из смеси моносилана с водородом. – ФТП. – 2011. – Т. 45. – Вып. 4. – С. 518-523.

А25 Емельянов, А.В., Казанский, А.Г., Кашкаров, П.К., Коньков, О.И., Теруков, Е.И., Форш, П.А., Хенкин, М.В., Кукин, А.В., Beresna, M., Kazansky, P. Влияние фемтосекундного лазерного облучения пленок аморфного гидрогенизированного кремния на их структурные, оптические и фотоэлектрические свойства. – ФТП. – 2012. – Т. 46. – Вып. 6. – С. 769-774.

А26 Емельянов, А.В., Перминов, П.А., Форш, П.А., Заботнов, С.В., Казанский, А.Г., Хенкин, М.В., Кашкаров, П.К. Фемтосекундная лазерная кристаллизация пленок гидрогенезированного аморфного кремния. - Наноматериалы и нанотехнологии. – 2012. – Т. 1. – С. 40-46.

А27 Emelyanov, A.V., Kazanskii, A.G., Khenkin, M.V., Forsh, P.A., Kashkarov, P.K., Gecevicius, M., Beresna, M., Kazansky, P.G.. Visible luminescence from hydrogenated amorphous silicon modified by femtosecond laser radiation. – Appl. Phys. Lett. – 2012. – V. 101. – P. 081902 – 081902-3.

А28 Емельянов, А.В., Казанский, А.Г., Кашкаров, П.К., Ларкин, С.Ю., Новиков, Е.И., Форш, П.А., Хенкин, М.В. Исследование спектральных зависимостей коэффициента поглощения в тонких пленках гидрированного кремния методом постоянного фототока с модулированным возбуждением. - Электроника и связь. – 2012. – Т. 67(2). – С. 5 – 9.

А29 Хенкин, М.В., Емельянов, А.В., Казанский, А.Г., Кашкаров, П.К., Форш,П.А. Фотоэлектрические и оптические свойства пленок полиморфного кремния, полученных при различных температурах. - Вестник РГРТУ. – 2012. – Т. 42(4). – С. 47 – 51.

А30 Емельянов, А.В., Константинова, Е.А., Форш, П.А., Казанский, А.Г., Хенкин, М.В., Петрова, Н.Н., Теруков, Е.И., Кириленко, Д.А., Берт, Н.А., Конников, С.Г., Кашкаров, П.К. Особенности структуры и дефектных состояний в пленках гидрогенизированного полиморфного кремния. - Письма в ЖЭТФ. – 2013. – Т. 97(8). – С. 536 – 540.

А31 Хенкин, М.В., Емельянов, А.В., Казанский, А.Г., Форш, П.А., Кашкаров, П.К., Теруков, Е.И., Орехов, Д.Л., Cabarrocas, P.R. . Влияние условий получения пленок полиморфного кремния на их структурные, оптические и фотоэлектрические свойства. – ФТП. – 2013. – Т. 47(9). – С. 1283-1287.

А32 Емельянов, А.В., Казанский, А.Г., Кашкаров, П.К., Коньков, О.И., Кутузов, Н.П., Лясковский, В.Л., Форш, П.А., Хенкин, М.В. Изменение структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния и концентрации водорода в них при фемтосекундной лазерной кристаллизации. - Письма в ЖТФ. – 2014. – Т. 40. – Вып. 4. – С. 1-8.