Анотація до роботи:

Астахов О.М. Вплив електронного опромінення на властивості нанокристалічного кремнію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.21 - радіаційна фізика і ядерна безпека. Національний Науковий Центр «Харківський фізико-технічний інститут» Національної Академії Наук України. – Харків, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню дефектів, утворених опроміненням 2 МеВ електронним, а також визначенню ролі цих дефектів в електронних властивостях нанокристалічного, мікрокристалічного і аморфного кремнію.

Обірвані зв'язкі є основним типом парамагнітних станів у матеріалі в усьому діапазоні щільностей дефектів, що спостерігався в експерименті. Вперше показано, що електронне опромінення при 100К призводить до формування нових парамагнітних центрів, що відрізняються від обірваних зв’язків. Параметри і поведінка пари нових ліній в спектрі електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) опроміненого метеріала добре узгоджуються із параметрами метастабільних Si-H-Si комплексів, що спостерігалися в кристалічному кремнії раніше.

Аналіз ЕПР спектрів зразків нанокристалічного і мікрокристалічного кремнію підтвердив гіпотезу про двокомпонентну структуру резонансу від обірваних зв’язків .

Було показано зворотну залежність фотопровідності від щільності дефектів в аморфному кремнії і відсутність систематичної залежності в нанокристалічному і мікрокристалічному матеріалі. Це пов'язується із визначальною роллю системи кристалітів для електронного транспорту.

В нанокристалічних зразках з донорним легуванням зміни щільності дефектів призводили до значних зсувів рівня Фермі.

У дисертації викладено результати досліджень впливу електронного опромінення на електронні властивості нанокристалічного кремнію. За результатами досліджень розв’язана важлива наукова задача встановлення впливу дефектів на транспорт рівноважних і нерівноважних носіїв заряду в нанокристалічному кремнії в широкому спектрі структур: від аморфної до мікрокристалічної.

Основні результати роботи складаються з наступних пунктів:

1. Ефективно застосовано метод низькотемпературного опромінення електронами із наступним відпалом для зміни щільності дефектів у плівках кремнію в широких межах (три порядки величини - в даній роботі). Це відкрило можливості для докладного вивчення природи дефектів і їх ролі у електронних властивостях нанокристалічного, мікрокристалічного і аморфного гідрогенованого кремнію.

2. ЕПР виміри на усіх етапах експерименту показали, що обірвані зв'язкі є основним типом дефектів у матеріалі. Це дозволило пов'язати щільність обірваних зв'язків із транспортними властивостями нанокристалічного, мікрокристалічного і аморфного кремнію.

3. Вперше було показано утворення нових парамагнітних центрів в нанокристалічному, мікрокристалічному і аморфному кремнії після електронного опромінення, що проявляються як пара ліній в ЕПР спектрах опроміненого матеріалу. Параметри і поведінка цих ліній добре узгоджуються із параметрами дублету від Si-H-Si комплекса, що спостерігається в кристалічному кремнії. Ці дані підтверджують теоретично обґрунтоване існування метастабільних Si-H-Si комплексів, що відіграють важливу роль у процесах міграції водню і утворення обірваних зв'язків в тонкоплівковому кремнії.

4. Аналіз ЕПР спектрів зразків нанокристалічного і мікрокрісталічного кремнію підтвердив гіпотезу про двокомпонентну структуру цих спектрів. Одна з компонент (db1 g=2,0052) відіграє домінуючу роль у спектрі при підвищеній щільності дефектів (після опромінення), друга компонента (db2 g=2,0043) відіграє помітну роль у спектрі матеріалу тільки за низької щільності дефектів.

5. Залежністі фотопровідності від щільності дефектів в нанокристалічному, мікрокристалічному і аморфному кремнії було вперше отримано в межах трьох порядків величини щільності дефектів. Було показано чітку зворотну залежність фотопровідності від щільності дефектів (_ph N_D^-1) у аморфному кремнії. У зразках нанокристалічного і мікрокристалічного кремнію подібні залежності не спостерігаються. Цей результат вказує на фундаментальні відмінності транспорту нерівноважних носіїв заряду в аморфному матеріалі і матеріалі, що містить значний об'єм кристалічної фази. Відмінності пов'язуються з тим фактом, що в аморфному матеріалі щільність струму збуджених носіїв рівномірно розподілена в об'ємі зразка, а в nc-Si:H або c-Si:H основним транспортним каналом є мережа поєднаних кристалітів. Тому загальна щільність дефектів в такому матеріалі не визначає транспорт нерівноважних носіїв. В даному випадку важливу роль відіграє щільність дефектів у транспортній мережі, що є значно нижчою за загальну завдяки низький температурній стабільності власних дефектів у кристалах кремнію.

6. За даними вимірів провідності і ЕПР в c/nc-Si:H n-типу при змінах щільності дефектів відбуваються значні зсуви рівня Фермі, що критично впливає на транспорт як рівноважних так і нерівноважних носіїв. За комбінацією результатів, отриманих на зразках із різними концентраціями донорної домішки, було оцінено енергетичну різницю між піками розподілення донорних рівнів і рівнів дефектів. Різниця складає 0.36еВ для c-Si:H и 0.38 еВ для nc-Si:H.

7. Показано, що визначення щільності глибоких рівнів у аморфному кремнії за коефіцієнтом оптичного поглинання є надійним лише для обмеженої ділянки щільності дефектів. Для щільностей, що перевищують 10¹⁷ см^-3 виміри методом постійного фотоструму призводять до недооцінки щільності дефектів.

Таким чином, робота є узагальненням великого обсягу експериментальних даних, що були отримані з використанням значної кількості зразків кремнію з різною структурою. Найбільш важливими досягненнями є визначення чіткої різниці у впливі електронного опромінення на різні типи плівок кремнію, а також спостереження нових парамагнітних станів в опроміненому матеріалі. Ці результати з одного боку відповідають на важливі питання стосовно ролі дефектів в плівках кремнію різної структури, а з іншого, визначають нові напрямки майбутніх експериментальніх досліджень.

Публікації автора:

1. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov Electron spin resonance studies of microcrystalline and amorphous silicon irradiated with high energy electrons // J. Non-Cryst. Sol. – 2006. – V.352. – P.1020–1023.

2. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, I. Neklyudov, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov Paramagnetic centers in amorphous and microcrystalline silicon irradiated with MeV electrons // ВАНТ. – 2007. – №2. – C.39-42.

3. O. Astakhov, R. Carius, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov and F. Finger Defects in thin film silicon at the transition from amorphous to microcrystalline structure // Phys. Stat. Sol. (RRL). – 2007. – N.1, V.2. – P. R77-R79.

4. O. Astakhov, R. Carius, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov and F. Finger, Spin Density in Thin Film Silicon Before and After Electron Bombardment // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. – 2007. – V.989. – P.A02-03.

5. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, Yu. Petrusenko, V. Borysenko and D. Barankov, Electron spin resonance in thin film silicon after low temperature electron irradiation // Thin Solid Films (www.sciencedirect.com/science/journal/00406090) - 2007 avalible online, 16 January.

6. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov, Electron spin resonance studies of microcrystalline and amorphous silicon irradiated with high energy electrons // ICANS 21 Book of Abstracts. – 2005. – P.TP 2.2.

7. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, I. Neklyudov, Yu. Petrusenko, V. Borysenko, D. Barankov, Paramagnetic centers in amorphous and microcrystalline silicon irradiated with MeV electrons // Труды XVII международной конференции по физике радиационных явлений и радиационнолму материаловедению. – 2006. – C.244.

8. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, A. Lambertz, Yu. Petrusenko, V. Borysenko and D. Barankov, Electron spin resonance in thin film silicon after low temperature electron irradiation // EMRS book of abstracts. – 2006. – P.I 7 05.

9. O. Astakhov, F. Finger, R. Carius, Yu. Petrusenko, V. Borysenko and D. Barankov ESR and Transport in Thin Film Hydrogenated Silicon over a Wide Range of Structural Compositions and Defect Densities // MRS Spreeng Meeting book of abstracts. – 2007. – P.A2.3.