Оптические свойства пленок аморфного кремния, полученные струйным плазмохимическим методом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2010. № 2. С. 87-90.

УДК 544.344

В.И. Струнин, Л.В. Баранова, А.А. Ляхов, В.В. Попов, Г.Ж. Худайбергенов, С.С. Якоб

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК АМОРФНОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ СТРУЙНЫМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Рассмотрен способ получения плёнок аморфного кремния струйным плазмохимическим методом. Исследованы оптические свойства полученных пленок.

Ключевые слова: аморфный кремний, струйный плазмохимический способ, оптические свойства пленок.

Введение

Применение солнечных элементов на основе аморфного кремния позволит снизить стоимость электроэнергии путем прямого преобразования солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлектрического эффекта. На пути удешевления производства солнечных элементов стоят проблемы, связанные главным образом со скоростью осаждения тонких пленок аморфного кремния. Традиционные способы не позволяют получать пленки аморфного кремния приборного качества с большими скоростями осаждения [1,2].

Теория и технология процесса

В настоящей работе рассмотрен струйный плазмохимический способ осаждения тонких пленок. В качестве устройства для получения плёнок аморфного кремния была использована установка ННВ-6. Она содержит вакуумную камеру осаждения с расположенной в ней подложкой, систему подачи газовой смеси, а также блок генерации активной плазмы из силансодержащей смеси газа. Блок генерации активной плазмы расположен вне камеры осаждения и связан с ней через сопло, установленном в стенке камеры осаждения. При этом блок генерации активной плазмы выполнен в виде электродного блока, подключённого к генератору ВЧ (рис.1).

В способе получения плёнок аморфного кремния, основанном на осаждении силансодержащей газовой смеси (Лг+5%8Ш4) на подложку, указанную смесь разлагают в плазме высокочастотного ёмкостного (ВЧЕ) разряда вне камеры осаждения с последующим формированием из продуктов разложения сверхзвуковой струи, истекающей в камеру осаждения, через сверхзвуковое сопло. Формирование свободной сверхзвуковой струи низкой плотности способствует замораживанию рекомбинационных процессов, так как по мере удаления от источника в струе быстро уменьшается плотность и температура. Перед началом осаждения камеру с помощью форвакуумного и диффузионного

© В.И. Струнин, Л.В. Баранова, А.А. Ляхов, В.В.Попов, Г.Ж. Худайбергенов, С.С. Якоб, 2010

насосов откачивают до давления 10-5 мм рт. ст. Дальнейшее понижение давления (до 10-6 мм. рт. ст.) достигается применением электродуговых титановых испарителей.

Плазмотрон располагается на верхнем фланце рабочего объёма. Давление в плазматроне контролируется термопарным преобразователем типа СопуесЛгоп АТМ и составляет 0.1 ...0.3 мм рт. ст. Параметры сопла: диаметр диффузора - 7.3 мм, критическое сечение - 4.3 мм. Разряд индуцируется при помощи генератора АСО-бЪ с колебательной мощностью до 600 Вт. Формирование плёнки осуществляется на стеклянной подложке, нагреваемой омическим нагревателем, расположенной на расстоянии 10 см от сопла. Температура подложки 250-300 0С и контролируется термопарой.

Способ нанесения плёнки аморфного кремния осуществляется следующим образом. Подготовленные стеклянные подложки помещают в вакуумную камеру, которую затем откачивают до давления 10-6 мм рт. ст. через штуцер в разрядную камеру поступает аргон-силановая смесь и при достижении нужного давления подается ВЧ мощность.

Продукты разложения свободно истекают в вакуумную камеру через сопло [3], где со сверхзвуковой скоростью осаждаются на подложку. Вдоль струи температура и плотность газа-плазмы падают, а скорость увеличивается. Для струй характерны релаксационные явления: по мере понижения плотности вдоль струи температура (энергия) частиц - электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров начинает отставать от температуры (тепловой энергии) поступательных степеней свободы и затем стабилизируется - «замораживает-

ся». Далее «замораживается» разброс в продольных скоростях частиц и так как процесс сопровождается охлаждением, то в струе должна происходить рекомбинация, конденсация и образование кластеров различного типа. Процессы переноса и рекомбинации носителей заряда в аморфном кремнии, полученном разложением силаносодержащей газовой смеси тесно связаны с условиями приготовления пленок: составом атмосферы смеси газов, давлением, мощностью ВЧ - разряда, температурой подложки и т. д., поэтому получение высококачественных пленок со скоростью осаждения 1 нм в секунду требует отработки режимов их технологии.

Результаты

Полученные образцы плёнок были исследованы различными приборами (микроскоп - Philips SEM 515, спектрофотометр, Фурье-спектрометр RFS-100/s,) с применением разных методик.

Одним из проведённых исследований тонких плёнок был анализ Рамановских спектров. Анализ спектров комбинационного рассеяния света (КРС) образца показывает, что пленка не содержит нано- и микрокристаллических включений в аморфной фазе, поскольку в спектре отсутствует сигнал КРС от кристаллической фазы в диапазоне 510-520 см-1 (рис. 2) В спектре наблюдается полоса при 470 см-1 от аморфной фазы. Форма и ширина этой полосы соответствует рассеянию на валентных локальных колебаниях Si-Si связей и дает информацию о структуре аморфной матрицы, в частности, о среднем отклонении угла связи Д9ь от тетраэдрических направлений, которое определяется полушириной полосы. Согласно [4, 5]:

Г = 15 + 6Д9Ь

где Г - это полуширина пика в см-1, а Д9ь-в градусах. Полуширина полосы КРС составляет Г=59 см-1. Значение параметра Д9ь, рассчитанное по этой формуле составляет ~ 7.3°, что соответствует модели случайной идеальной сетки со средними отклонениями углов связей до 10°.

2090-2150 cm1 Si-H,. (Si-H.) . Si-H

470 cm TO

t

930 cm 1250-1600 cm ’

C-H . C-H„ C-C і Г-

JI______A pAaI

2000 cm S,-H

DA

Raman shift (cm ')

Рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния света

В спектре КРС присутствуют полосы, соответствующие валентным колебаниям следующих структурных групп: Si-H, Si-H2, (Si-H2)n, Si-H3, Si-O-Si и деформационным колебаниям несвязанных с кремнием групп С-Hs, С-Ш, С-С. Из сравнения интенсивностей рассеяния на колебаниях этих групп можно сделать вывод о присутствии в пленке значительного количества атомов водорода, насыщающего оборванные связи аморфного кремния в основном в конфигурации Si-H2, (Si-H2)n, Si-H3. Присутствует заметное количество примеси кислорода и несвязанного с кремнием углерода. Случайные примеси в пленке можно объяснить парами воды и углеводородных соединений адсорбированные на стенках камеры. Данные по ИК-спектроскопии аналогичны данным по рамановскому рассеянию (рис. 3).

200 г

470 cm''

ТО

I

150

Є

1

о

и

с

.2 50

а

о

•630 cm1 Si-H

. 930 cm ’

I Si-0

4

1250-1600 cm

C-H„ C-H3. C-C I--------------1

2090-2140 cm1 Si-H

t • •

І

Wavenumber (ст'|

Рис. 3. Спектр ИК-поглощения света

Данные образцов А121-126 по спектрам поглощения в области 300-900 нм (см. рис. 4), измеренные Egopt, представлены в следующей таблице, как видно энер-

гия ширины запрещеннои зоны несколько выше, чем для образцов пленок аморфного кремния, получаемых традиционными методами (1.7-1.9 эВ). Объяснить высокое значение Egopt можно высокой концентрацией водорода в пленке (Сн =10-15 % для традиционных методов), что, в свою очередь, обуславливается, по-видимому, большим потоком частиц на пленку.

Образцы 8-cq ц?п os Ї Ci Csh, % CsiH2, %

А121 1,95 20-26 13-18 9-11

А122 2,1 27-35 20-25 13-15

А123 1,97 22-28 17-21 10-12

А124 1,97 22-28 17-21 10-12

А125 1,93 18-23 12-18 8-10

А126 2,05 25-32 18-23 12-14

Рис. 4. Спектры поглощения

Фундаментальные переходы в аморфных полупроводниках включают в себя переходы с края подвижности валентной зоны на край зоны проводимости. Энергию, соответствующую краю фундаментального поглощения аморфных пленок кремния, определяют из зависимости

(аИг)112 от энергии кванта Ни. Коэффициент поглощения, в случае сильного поглощения в материале пленки и пренебрежимо малого поглощения в подложке

а= 1 lnГ (1 -R) • (1 -Rn) • (1 -R2)

d 1 T

Оптические свойства пленок аморфного кремния.

91

где

R =

t -(v n1 +1

измеряемое пропускание;

(

R12 =

n1 - n-

R2 =

( П2 - 1''2

П\ + П2

>

коэффициенты отражения от границ воздух-пленка, пленка-подложка и подложка-воздух, а т, П2 - показатели преломления пленки и подложки, соответственно.

Показатель преломления стекла П2=1.53, а для аморфного кремния использовалось среднее значение т=3.8, слабо меняющееся в области края погло-

щения. Зависимость деиы на рис. 3.

(ah v)

1/2

от hv приве-

Energy (eV)

Рис. 5. Край фундаментального поглощения.

Полученные экстраполяцией значение К8.опТ (рис. 5) составляет 1.8 эВ. Оценка концентрации водорода в пленках, согласно данным [5] следующая:

^ - 15 %;

Свш2 - 3 %;

Сан - 10 %.

Следует отметить, что оценить концентрацию водорода по значениям Eg^m аморфных пленок можно лишь приблизительно, поскольку не один водород приводит к процессу пассивации дефектных состояний в аморфной матрице. Так, диффузия кислорода в объем материала, при осаждении пленки или в процессе термообработок также может приводить к насыщению оборванных связей атомов кремния и увеличению Eg. опт.

Выводы и заключение Проведённый анализ показывает, что плёнки отвечают требованиям для подобных структур и в совокупности с высокой скоростью осаждения данный метод может служить альтернативным способом осаждения плёнок а-SiH.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Kushner M. // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63 (8). P.

2532-2551.

[2] Шарафутдинов Р. Г., Бакланов М. Р. и др. // ЖТФ. 1995. Т. 65 (1). C. 181-186.

[3] Пат. 2188878 МПК 7 C 23 C 16/24, C 16/50, H 01

L 21/205. Способ нанесения пленок аморфного кремния и устройство для его осуществления / Л. В. Баранова, В. И. Струнин, Г. Ж. Худайбер-генов и др. № 2000119336/28; Заявлено 19.07.2000; Опубл.10.09.2002 Бюл. № 25 -5 с. : ил.

[4] Beeman, R. Tsu, Thorpe M. F. // Phys. Rev. B. В.

32. С. 874-878 (1985).

[5] Fukutani K., Kanbe M., Futako W., Kaptan B., Kamiya T., Fortmann C. M., Shimizu I. // J. Non-Cryst. Solids. В. 63. Р. 227-230 (1998).