CC BY
6Изменение оптических свойств легированных пленок А-Б1:Н, модифицированных высокотемпературным отжигом
Нальгиева Мадина Алихановна.
к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, Ингушский государственный университет, [email protected]
Торшхоева Зейнап Султановна.
к.ф.-м.н., зав. каф. общей физики ИнГУ
Иналова Зарема Исмелхановна.
ассистент кафедры общей физики ИнГУ
Хаматханова Жаридат Мухарбековна.
доцент кафедры машиноведения ИнГУ
Аушева Мадина Ахметовна,
ст. преподаватель кафедры математики и ИВТ ИнГУ
В работе для легированных бором пленок а-ЭШ исследовались спектральные зависимости коэффициентов поглощения и преломления. Для сравнения исследовались не отожженные пленки и пленки модифицированные высокотемпературным отжигом. Для уменьшения эффузии водорода, отжиг проводился в потоке водорода. Было установлена зависимость оптической ширины запрещенной зоны и статического коэффициента преломления от температуры отжига. С ее увеличением ширина запрещенной зоны уменьшилась от 1.83 эВ до 1.51 эВ, а значения статического коэффициента преломления возросли с 3.41 до 3.68. Также было установлено, что данные изменения перечисленных величин не связаны не с начальной концентрацией водорода в пленках, не с концентрацией бора в них. Предположено, что эти изменения связаны с уменьшением концентрации водорода до значений меньших 1 ат.%.
Ключевые слова: спектральные зависимости, коэффициент преломления, ширина запрещенной зоны, высокотемпературный отжиг.
Аморфный кремний, обогащенный Н2, стал объектом пристального внимания ученых на протяжении последних десятилетий. Такой интерес к данному материалу объясняется тем, что он имеет довольно широкую запрещенную зону. Его можно наносить на большие подложки, он различается по своей структуре, по составу и электрическими, фото-электрическими и оптическими свойствами.
Также интересно то, что его свойства, в том числе и оптические, можно менять в широких пределах внешними воздействиями, к примеру, отжигая их при температурах превышающих температуры получения [1-4]. Это обусловлено тем, что в результате отжига, из-за эффузии, изменяется количество водорода в пленках, а также концентрация оборванных связей кремния (ОС). Если пленки отжигаются при температурах выше 600 К возможно возникновение микрокристаллической фазы в аморфной сетке, которая приводит к значительным изменениям оптических и других свойств пленок [5]. На оптические свойства также заметно влияет и температура их получения Т& [5, 6].
Целью настоящей работы стало выявление изменения оптических свойств легированных бором пленок а-ЭпН, в результате отжига их в потоке водорода при высоких температурах.
Аналогичные исследования были проведены и на нелегированных пленках.
Исследовались пленки а-ЭпН, полученные методом осаждения в плазме тлеющего ВЧ разряда. Пленки выращивались на кварцевых подложках при температурах 300 С и 250 С. Способом инфракрасной спектроскопии находилась концентрация водорода С„. Концентрацию атомов бора Св, определяли методом вторичной ионной спектроскопии. По скорости и времени роста определялась толщина пленок, она составляла 1мкм. Пленки отжигались в потоке водорода 30 мин при температурах 600°С и 650°С. Все полученные параметры пленок приведены в таблице.
При комнатной температуре измерялись спектры пропускания пленок. В интервале длин волн сравнимых с толщиной пленок, обнаружено, что спектры пропускания пленок имеют ос-
0 в
£
в
и
и ы
циллирующий характер, что связано с эффектом интерференции света. В области прозрачности и слабого поглощения значение и спектральную зависимость коэффициента преломления п(А) для оптически однородной пленки на аналогичной подложке вычисляется из спектров пропускания, по формуле [7]:
(1)
где
где Тм - относительная величина пропускания в максимумах спектра, Тт - относительная величина пропускания в минимумах спектра, пг -показатель преломления подложки. Величины коэффициентов преломления определялись с точностью до 1 %.
По спектру пропускания структуры (согласно работе [8]) можно сделать заключение об однородности пленки. Пленки считаются однородными, если в области ее прозрачности величины Тм и Тт постоянны и максимум пропускания структуры равен величине пропускания подложки Т&, вычисленной по формуле, приведенной в [8]:
тв = »■
' /
(щ + 1)
г
о
(2)
У однородной пленки, в области слабого поглощения, с уменьшением А уменьшаются Тм и Тт. Если пленка неоднородна в области прозрачности величины Тм не совпадают со значением Т&, а Тт в области слабого поглощения увеличивается с уменьшением длины волны.
Судя по спектрам пропускания, все исследованные пленки были достаточно однородны. Это достигалось меленным ростом пленки и поддерживанием высокой температуры во время ее роста. Это заключение позволило применить формулу (1) для расчета коэффициентов преломления исследованных пленок.
В области сильного (межзонного) поглощения, где Т(А) < 0.2 интерференция практически отсутствует и коэффициент поглощения пленки a(hv) определяется соотношением [9]:
(3)
где Т -относительная величина пропускания, ^ - толщина пленки, п - показатель преломления пленки; пг - показатель преломления подложки.
По методу Тауца, из найденной спектральной зависимости a(hv) в области межзонного поглощения, определялась оптическая ширина запрещенной зоны Ед. Значения Ед определялись с точностью до 3 %.
Экстраполируя найденную зависимость п()) в область прозрачности и слабого поглощения определялись величины п()) [10].
Типичные спектры пропускания исследованных неотожженной и отожженной структур (кон-
центрация бора равна 4,11018 см-3) показаны на рисунке (1). Максимумы пропускания Тм неото-жженной структуры в области длинных волн равны величинам пропускания подложки Т& (горизонтальная линия), вычисленной при п& = 1.51.
Рис.1 Спектры пропускания пленок:
□ - неотожженной (4);
х - отожженной (6).
Из этого следует, что в области длинных волн неотожженная пленка прозрачна и оптически однородна.
Очевидно также, что спектры отожженной и неотожженной пленок различны. Для отожженной структуры, в рассмотренном диапазоне длин волн, величины Тм меньше Т&,это значит, что пленка не прозрачна. Известно, что в результате отжига при высокой температуре ширина запрещенной зоны уменьшилась, а концентрация оборванных связей кремния увеличилась. Этим, возможно объясняется такое поведение Тм и Т&. Еще одним доказательством чего является сдвиг в длинноволновую область края пропускания. Уменьшение величины Тм можно объяснить возникающей в пленке оптической неоднородностью, из-за чего изменяется коэффициент преломления по толще пленки. Однако в области слабого поглощения Тт увеличивается при уменьшении длины волны, что не наблюдается в спектрах пропускания исследованных отожженных пленок. Из этого можно сделать заключение об оптической однородности отожженных пленок и возможности вычисления коэффициента преломления по формуле (1).
Спектральные зависимости для пленок (1 -8) показаны на рисунке (2). Для их вычисления использовалась формула 1. Кривые соответствуют зависимости:
(4)
где п0 и а параметры пленок. Полученные значения п0 для всех пленок приведены в таблице.
Рис.2 Спектральные зависимости коэффициентов преломления п в области слабого поглощения.
На рисунке 3 приведены спектральные зависимости коэффициентов поглощения а(Ьу) в координатах Тауца всех исследованных пленок для области межзонных переходов. По формуле 3 рассчитывались значения а(Ьу). Экстраполируя зависимость п(Л) в область слабого поглощения находились величины коэффициентов преломления для этой области длин волн. Экстраполяция этих линейных зависимостей к нулю дают значения оптических ширин запрещенной зоны.
Концентрация водорода Сн определяет значение п0 в пленках а-ЭпН: с уменьшением Сн - п0 увеличивается [6]. Напротив, ширина запрещенной зоны Ед уменьшается с уменьшением Сн. Как видно из таблицы, значения Ед и п0 в неото-жженных пленках (1, 4, 7) коррелируют с этой зависимостью. При уменьшении Сн величина Ед уменьшается, а величина п0 -увеличивается.
Величины п0 после отжига пленок значительно увеличились, а Ед уменьшились. Это может с уменьшением концентрации водорода. Методом инфракрасной спектроскопии была проведена оценка концентрации водорода в отожженных пленках. Оказалось, что она уменьшилась до величин, меньших 1 ат.%, что исключило возможность ее точного измерения.
Зависимость п0 от Ед для исследованных пленок 1 - 8 приведена на рисунке 4. Здесь же приведены данные п0(Ед) для неотожженных нелегированных пленок (9, 10, 11) исследованных в работе [4]. Видно, что точки п0(Ед) для неотожженных нелегированных (7, 9, 10, 11) и легированных (1, 4) пленок, ложатся на одну кривую. Это определяется изменением концентрации водорода в этих пленках связанной различными технологическими режимами их получения.
8 ¡в
-„В
зш
200
100
Рис.3 Зависимости (аЬу) от 1/у для неотожженных пленок 1, 4, 7 (кривые 2, 1, 3) и отожженных пленок 2, 3, 5, 6 (кривые 6, 7, 4, 5).
Видно, что Ед и п0 имеют различные значения в разных исследованных пленках.
Таблица 1
Пленка Та, "С с' Сн, ат.% Св, см-3 п0 Ед, еУ
1 - 300 10 81016 3.44 1.79
2 600 300 < 1 81016 3.67 1.54
3 650 300 < 1 81016 3.68 1.52
4 - 250 13 41018 3.40 1.82
5 600 250 < 1 41018 3.67 1.57
6 650 250 < 1 41018 3.69 1.56
7 - 250 9 - 3.5 1.75
8 600 250 < 1 - 3.68 1.53
9 - 200 - - 3.42 1.8
10 - 300 - - 3.53 1.75
11 - 400 - - 3.6 1.7
Рис.4 Зависимость п0 от Ед для неотожженных (1, 4, 7, 9 -11) и отожженных (2, 3, 5, 6, 8) пленок: о - 1, 2, 3; □ - 4, 5, 6;
+ - 7, 8; • -9, 10, 11.
Из рис.4 видно также, что величины п0 существенно увеличились, а Ед - уменьшились. Это можно объяснить уменьшением концентрации водорода (от Сн = 13,1 - 8,9% до 1%). Величины показателей преломления в пленках 2, 3, 5, 6, 8 различаются меньше, чем на 1% (не выходит за пределы точности измерений), а ширина запрещенной зоны также различаются на величины лежащие в пределах точности измерений (она равна 3 %).
Таким образом, установлено, что ширина запрещенной зоны в пленках после отжига при
0 в
£
в
и
и ы
высокой температуре уменьшилась, а коэффициент преломления наоборот возрос. Также установлено, что они не зависят от концентрации бора в пленках и начальной концентрации водорода в них.
Литература
1. Демикелис Ф., Минетти-Мезцетти Е., Тальяферро А., Тресо Э., Рава П., Равиндра Н. М. // Оптические свойства гидрированного аморфного кремния //// Appl. Phys., 1999, т. 59, No2, с. 611-618, 62.
2. Valeev A. S. "Determinations ofthe opticale constant of thina weakly absorbing layer". Optics and Spectroscopy, 1963, no4, v15.
3. Сванепол Р. // Определение у неоднородных пленок aморфного крeмния шероховатости поверхности и оптических констант. JPhys. E: SciИнструм. V d, 1984, v17, p896.
4. Lei L. // Photoemission and opticals propertie // In kN. Physics of hydrogenatede amorphous silicons. Issue. 2. Ed. Jounopoulos J. And Lyukovski JM: World, 1988, p.171.
5. Ямагучи М., Моригаки К. // Bлияниe разбавления вoдорода на oптические свoйства гид-рированнoго амoрфного крeмния, полученного осаждением плазмы. // Фил. Магнето B, 2005, т. 79, No 3, с. 387 - 407.
6. Оверхоф X., Бейер B. // Электронный транспорт в гидрировaнном aморфном ^мнии. // Фил. Магнето B, 1983, т. 47, No4, с. 377 - 392.
7. Kazanski A. G, Milichevih E. P // Defectos formation in a-Si: H with dehydrogenation and opticale degradations. // FTI, 2011, v. 23, c. 11, p. 2027.
8. Hoheiseli M., Fihs W. // Drifts mobility in n-and p-conductings a-Si:H. // Phil. Mag. B, 1988, v. 57, No 3, р. 411 - 419.
9. Kurov I. A, Nalgieva M. A, Ormonte N. N. // Influences of high-temperatur annealings in hydrogen flows on the properties of a-Si:H films. // Theses of lectures and reports of the 3rd Russian school uch. And young spec. in physics, materials science and the technology of obtaining Si and prib structures on its basis «Silicon. School-2005», 2005, p.114.
10. Biegelsene, D.K., Street, R.A., Tsair, C.C., Knights, J. C. // Дефект создание и выделение вoдорода в аморфном Si:H. / NonCryst. Solids, 1980, т. 35/36, с. 285.
The effect of high-temperature annealing in hydrogen on
optical properties doped a-Si:H films Nalgiyeva M.A., Torshkhoyeva Z.S., Inalova Z.I., Khamatkhanova Zh.M., Ausheva M.A.
Ingush State University
In the work for boron-doped a-Si: H films, the spectral dependences of the absorption and refraction coefficients were studied. For comparison, non-annealed films and films modified by high-temperature annealing were investigated. To reduce the effusion of hydrogen, annealing was carried out in a stream of hydrogen. The dependence of the optical width of the forbidden band and the static refractive index on the annealing temperature was established. With its increase, the band gap decreased from 1.83 eV to 1.51 eV, and the static refractive index increased from 3.41 to 3.68. It was also established that these changes in these values are not related to the initial concentration of water in the films, not to the concentration of the boron in them. It was suggested that these changes are associated with a decrease in the hydrogen concentration to values lower than 1 at.%.
Key words: spectral dependences, refractive index, width of the
forbidden band, high-temperature annealing. References
1. Demichelis F., Minetti-Mezzetti E., Tagliaferro A., Treso E.,
Rava P., Ravindra N. M. // Optical properties of hydrogenated amorphous silicon //// Appl. Phys., 1999, v. 59, No. 2, p. 611-618, 62.
2. Valeev AS "Determination of the opticale constant of your
weakly absorbent layer". Optics and Spectroscopy, 1963, no4, v15.
3. Svanepol R. // Determination of an amorphous surface roughness and optical constants in inhomogeneous films. JPhys. E: SciInstrum. V d, 1984, v17, p896.
4. Lei L. / Photoemission and opticals propertie // In kN. The
physics of hydrogenated amorphous silicons. Problem. 2. Ed. Junopulos J. And Lyukovsky YM: The World, 1988, p.171.
5. Yamaguchi M., Morigaki K. // Influence of hydrogen dilution on
optical properties of hydrogenated amorphous time obtained by plasma deposition. // Phil. Magneto B, 2005, v. 79, No. 3, p. 387 - 407.
6. Overhoff H., Beyer V. // Electronic transport in hydrogenated
amorphous time. // Phil. Magneto B, 1983, v. 47, No. 4, p. 377 - 392.
7. Kazansky A.G., Milichevikh E.P. // formation of Defectos in SI:
H with dehydrogenation and opticale degradation .// FTI, 2011, v. Russia. 23, c. 11, p. 2027.
8. Oeizeli, M. and Fichs, V., Motility of Drifts in n-and p-Arrangements of a-Si: H .// Phil. Meg. B, 1988, v. 57, No. 3, p. 411-419.
9. Kurov I.A., Nalgieva M.A., Ormonte N.N. / Influences of high-
temperatur annealing in hydrogen flows on the properties of a-Si: H films .// Theses of lectures and reports of the 3rd Russian school uch. And young speculation in physics, materials science and technology to obtain Saya and prib structures on its basis "Silicon. School 2005 », 2005, p.114.
10. Biegelsene, D.K., street, R.A., Tsair, C.C., Knights, J. C.//Defekt creation and allocation of hydrogen in amorphous Si: H. / NonCryst. Solid particles, 1980, Vol. 35/36, p. 285.
0
