Властивості модифікованих вуглецевих плівок та шаруватих структур на основі кремнію - Автореферат

При цьому використання різних методів модифікації, особливо таких суттєво нерівноважних, як йонна імплантація, дозволяє не тільки цілеспрямовано і контрольованим чином змінювати властивості означених вище матеріалів і структур, а й досліджувати фізичні механізми процесів, що при цьому відбуваються. Можливість формування вуглецевих плівок з різним вмістом sp2 та sp3 звязків дозволяє в широких межах змінювати властивості плівок як при зміні умов осадження, так і при подальшій їх модифікації. Методи йонної модифікації можуть успішно використовуватись не тільки для формування шаруватих структур на основі Si з прихованими шарами SIC, але й для покращення характеристик власне кремнію, зокрема, рекомбінаційних. Розробка нових нетрадиційних методів гетерування з використанням йонно - модифікованих шаруватих структур на основі Si, плівок АПП та вивчення механізмів процесів гетерування має не тільки суттєве практичне значення, але й є важливою задачею фізики твердого тіла. Практичне значення застосування АПП та розробки нових ефективних методів гетерування рекомбінаційно-активних домішок в Si обумовлено можливістю створення високоефективних перетворювачів сонячної енергії (сонячних елементів - СЕ) на основі Si.При поступовому збільшенні вмісту азоту в плазмі, а, отже, в плівці, атоми азоту спочатку вбудовуються на границях sp2-кластерів, збільшуючи розупорядкування в плівках. Зокрема, було показано, що при збільшенні вмісту азоту в плівці має місце значний довгохвильовий зсув смуги ФЛ, а потім і значне зростання її амплітуди. Вказані рівні виникають у випадку, коли азот вбудовується в sp3-координовану матрицю, а їх концентрація збільшується із збільшенням вмісту азоту в плівці. Досліджувались плівки, імплантовані йонами азоту або вуглецю, і було встановлено, що при дозах імплантації ~1016 см-2 спостерігається значне (в 3 - 5 разів) збільшення твердості плівок. Зокрема, було виявлено, що інтенсивність ФЛ плівок з високим вмістом азоту зростає після УФ обробки, тоді як для плівок з низьким вмістом азоту вона катастрофічно зменшується.Досліджено властивості алмазоподібних вуглецевих плівок в залежності від вмісту в них азоту. Вперше показано, що модифікація структури плівок при введенні в них азоту обумовлена зміною в них співвідношення sp2 та sp3 координованих звязків. Показано, що імплантація йонів азоту або вуглецю в алмазоподібні вуглецеві плівки призводить до значного збільшення їх твердості, обумовленого їх структурним розупорядкуванням. Досліджено вплив типу джерела вуглеводнів та температури підкладинки на структуру та швидкість росту алмазних плівок. Показано, що використаний метод синтезу плівок дозволяє отримувати алмазні плівки високої якості при низьких температурах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Досліджено властивості алмазоподібних вуглецевих плівок в залежності від вмісту в них азоту. Вперше показано, що модифікація структури плівок при введенні в них азоту обумовлена зміною в них співвідношення sp2 та sp3 координованих звязків. Виявлено ефект значного довгохвильового зміщення і зростання інтенсивності смуги фотолюмінесценції алмазоподібних плівок при збільшенні в них вмісту азоту, обумовлений формуванням енергетичних рівнів в забороненій зоні АПП.

2. Показано, що імплантація йонів азоту або вуглецю в алмазоподібні вуглецеві плівки призводить до значного збільшення їх твердості, обумовленого їх структурним розупорядкуванням. Вперше встановлено, що високодозова імплантація йонів азоту викликає появу в імплантованій області структурних неоднорідностей, для яких характерне аномально високе значення твердості. Вказаний ефект інтерпретовано в рамках механізму, що враховує конверсію частини sp2 координованих порушених звязків в sp3 координовані.

3. Вперше низькотемпературним методом піролізу з використанням надзвукового плазмового потоку при постійному струмі розряду (supersonic DC arcjet) синтезовано алмазні плівки на підкладинках Si. Досліджено вплив типу джерела вуглеводнів та температури підкладинки на структуру та швидкість росту алмазних плівок. Показано, що використаний метод синтезу плівок дозволяє отримувати алмазні плівки високої якості при низьких температурах. При застосуванні CH4 в газовій суміші швидкість росту більша, ніж при застосуванні C2H4, але кристалічність плівки і вміст алмазної фази гірші. Найвища якість плівок спостерігається при температурі підкладинки 360ОС.

4. Вперше синтезовано алмазні плівки та досліджено їх властивості на підкладинках SIO2-Si, в тому числі імплантованих йонами вуглецю, аргону та азоту. Показано, що імплантація вуглецю дозволяє керувати структурою плівки. Імплантований вуглець створює центри кристалізації алмазної фази і приводить до збільшення розмірів мікрокристалітів алмазу. Показано, що модифікація поверхні SIO2-плівки імплантацією іонів N , Ar , C збільшує адгезію алмазної плівки. Запропоновано модель цього явища, яка грунтується на впливі імплантації на утворення звязків Si-C на границі росту “алмазна плівка - шар SIO2”. Формуванню цих звязків сприяють точкові дефекти, які генеруються при імплантації.

5. Вперше знайдено ефект збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду в кремнії після нанесення АПП і термічних відпалів, обумовлений дифузією водню з плівки в Si і пасивацією обірваних звязків. Показано, що такий гетер є найбільш ефективним для пластин кремнію з низьким вмістом кремній-кисневих преципітатів.

6. Виконано дослідження ефективності гетерів, сформованих за допомогою йонної імплантації різних атомів. Показано, що дія гетерів залежить від стану кисню в кремнії. Механізми гетерування повязані з формуванням структурних дефектів в області імплантації, пасивацією воднем внутрішніх рекомбінаційних центрів та гетеруванням кисню у випадку імплантації йонів вуглецю.

7. Показано, що параметри сонячних елементів на основі кремнію можуть бути покращені в 1,3-1,43 рази за рахунок нанесення алмазоподібних просвітлюючих плівок. Вперше встановлено, що алмазоподібні вуглецеві плівки завдяки їх стійкості до дії протонного і ультрафіолетового опромінення можуть бути використані як захисні покриття для сонячних елементів космічного призначення.

1. В.В.Артамонов, М.Я. Валах, Н.И.Клюй, В.П.Мельник, А.Б. Романюк, Б.Н.Романюк, В.А.Юхимчук. Влияние кислорода на процессы ионно-лучевого синтеза скрытых слоев карбида кремния в кремнии //ФТП.- 1998.- т. 32, №12.- C.1414-1419.

2. Yu.P.Piryatinskiy, N.I.Klyui, A.B. Romanyuk, V.A.Semenovich. Modification of optical properties of a-C:H and a-C:H:N films subjected to ion implantation and UV-treatment // Molecular Crystals and Liquid Crystals.- 1998.-V.324.-P.19-24.

3. A.Gorbulik, M.Klyui, V.Litovchenko, D.Moskal, V.Popov, A. Romanyuk, B. Romanyuk. The evolution of recombination parameters upon action of the gettering and thermal treatment of solar monocrystalline silicon //Functional Materials.- 1998.- V5, №4.- P. 555-560.

4. V.V.Artamonov, M.Ya.Valakh, N.I.Klyui, V.P.Melnik, A. B. Romanyuk, B.N.Romanyuk, V.A.Yuhimchuk. Effect of oxygen on ion-beam induced synthesis of SIC in silicon // Nuclear Instruments & Methods in Physical Research B.- 1999.- v. 147.- P.256 - 260.

5. Artamonov V., Klyui N., Perez-Rodriguez A., Romanyuk A., Semenovich V., Valakh M., Visotski V. Raman spectroscopy and microhardness study of ion-implanted a-C:H-films // Ceramics International.- 2000.- V.26, N 1.- P.29-32.

6. Klyui N., Piryatiskii Yu., Romanyuk A., Semenovich V. Photoluminescent properties of nitrogen-containing DLC films // Ceramics International.- 2000. - V.26, N 4.- P.411-414.

7. A.A. Efremov, N.I. Klyui, V.G. Litovchenko, V.G. Popov, A.B. Romanyuk, B.N. Romanyuk. Development of gettering processes for the preparation of the solar silicon materials // Optoelectronics Review.- 2000.- v.8, N.4 - P. 152-155.

8. A. Romanyuk, H. Guttler, V. Popov. Low-temperature growth of diamond films using supersonic DC arcjet // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- v.4, N3.- P.187-191.

9. N.I.Klyui, V.G.Litovchenko, V.G. Popov, B.N. Romanyuk, A.B. Romanyuk, A.A. Zolotovsky, S.G. Volkov. Stimulated gettering approach for high quality solar sell silicon preparation // Proceedings of Worls Renewable Energy Congress - V.- Florence, Italy.- 1998.- P. 1724-1727.

10. Romanyuk A.B. Optical properties of nitrogen containing diamond-like carbon films // Proceedings of the International School-Conference for Young Scientists “Solid State Physics: Fundamentals and Applications”.- Katsyveli, Ukraine.- 1997, P. R61.

11. V.G.Litovchenko, N.I.Klyui, V.A.Semenovich, A. B. Romanyuk. Solar cells on base of DLC-film - heterostructure for space application // Proceedings of 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion.- Wien, Austria.- 1998.-P.3715-3718.

12. V.V.Artamonov, N.I.Klyui, A.Perez-Rodriges, A.B. Romanyuk V.A.Semenovich, M.Ya.Valakh, O.V.Vasilik Investigation of light-emmiting DLC coatings by time resolved photoluminescence // Book of abstracts of international conference on metallurgical coatings and thin films.- San Diego, USA.-1998, с.74.