ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК АМОРФНОГО ГИДРИРОВАННОГО КАРБИД-КРЕМНИЯ A-SIJ ХСХ:Н (Х ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК АМОРФНОГО ГИДРИРОВАННОГО КАРБИД-КРЕМНИЯ a-Si1-xCx:H (x = 0-1) ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Б. А. Наджафов, Г. И. Исаков* ^

Deputy Editor-in-Chief and member of the International Reviewers Board

Институт радиационных проблем HAH Азербайджана ул. Ф. Агаева, 9, Баку, AZ-1143; e-mail: bnajafov@physics.ab.az

* Институт физики HAH Азербайджана, пр. Г.Джавида, 33, Баку, AZ-1143; e-mail: gudrat@physics.ab.az

In work reception thin films hydrogenated amorphous carbon-silicon a-Si1-xCx:H and amorphous silicon a-Si:H by a method plasma chemical sedimentation of instrument quality is discussed, at rather high temperatures of sedimentation (Tnofl = 200-300 °C) of a substrate, thickness thin films which d < 1 |m. At illumination thin films by light with length of a wave in an interval 0,3-0,9 micron during 500 hours of changes per them I-V characteristics it was not observed, that allows to count, that a film a-Si1-xCx:H, received by a method plasma chemical sedimentation are perspective materials for creation of solar elements.

В данной работе обсуждается получение пленок гидрированного аморфного карбид-кремния а^1-хСх:Н и аморфного кремния а-ЗкН методом плазмохимического осаждения приборного качества при относительно высоких температурах осаждения подложки Тпод = 200-300 °С, толщина пленок которых d < 1 мкм. Конструкция установки для получения пленок была подробно описана в работе [1].

Пленки тетраэдрических связей, в частности кремний, и их сплавы (соединения) изготавливаются различными методами и при различных технологических режимах. Такие сплавы характеризуются различными структурными фазами, наиболее интересными из которых являются фазы, находящиеся на границе кристалличности. Во-первых, они легко кристаллизуются и поэтому могут рассматриваться как базовый материал для производства, в частности, в фотовольтаических приборах, полевых транзисторах и интегральных схемах; во-вторых, пленки а^кН и а^Ю:Н под воздействием интенсивной засветки являются высокостабильными. Наноструктурированные пленки а^кН и а^Ю:Н, осажденные плазмохимическим (ПХО) методом, по фотопроводимости Оф/от ~ 107 имеют высокую чувствительность. Однако до сих пор не решены проблемы получения пленок а^кН и а^Ю:Н со стабильными характеристиками, не ясны особенности их поведения в зависимости от режимов нанесения и последующей обработки.

В литературе имеется достаточное количество работ, посвященных пленкам а^кН и

а^Ю:Н, полученным различными методами [26]. Аморфные трехкомпонентные сплавы а^1-хСх:Н и а^кН получались методом ПХО из газовых смесей SiH4, СН4, Н2. Для улучшения проводимости и изменения типа проводимости пленки при процессе осаждения легировались фосфором РН3 и дибораном В2Н2. При этом в пленках а^1-хСх:Н относительное содержание углерода и кремния было пропорционально (1 - х)/х. Уровень легирования пленок с фосфором и дибораном был постоянным и составлял 0,5-1 мол. %. При этом давление в камере было

PH3

< 10-

B2H2

(SiH4 )i-x + (CH4 )

< 10-

№ ) х + (СН4 ) соответственно.

Водород добавлялся в следующих соотношениях:

[РНз/ ((81Н4 )х-х + (СН4 )х )/Н2 ] = ^ [В2Нб/ (4 )Х-х +(СН4 ) )/Н2 ] = ^

Процесс распыления проходил в водородной плазменной среде, которая была получена с помощью магнетрона, постоянного магнита и высокочастотного поля. Плазма Р создавалась ВЧ-по-лем за счет преимущественно индуктивной связи. Максимальная мощность разряда достигала 300 Вт, а частота равнялось 230 мГц. Расстояние между мишенью и подложкой составляло 25 см, скорость осаждения пленок достигала 3 А/с; температура подложки 200-300 °С, расход газа 0,50,6 см3/мин, максимальное давление 10-5 Торр.

Статья поступила в редакцию 22.10.2007 г. Ред. per. № 157. The article has entered in publishing office 22.10.2007. Ed. reg. No. 157.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(55) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»

Солнечная энергетика Солнечные электростанции

Осаждение и получение пленок проводилось в течение 1 ч, при этом толщина пленок достигала до 1 мкм. В качестве подложки выбран кварц и монокристалл (100^ь В плазме содержались электроны с энергиями 10 эВ, а их плотность приблизительно равнялась плотности положительных ионов, которая составляла 1010см-3. При этом температура газа была такова, что энергия электронов была достаточной для разрыва молекулярных связей [7, 8]. Концентрация водорода, содержащегося в пленках, зависела от условий получения пленок, таких как температура подложки, тип разряда, давление и расход газа. Аморфность пленок а^1-хСх:Н контролировалась методом электронографичес-кого анализа. При определении состава пленок после получения использовались метод оже-элек-тронной спектроскопии и метод электронно-зон-дового микроанализа. Между данными, полученными этими методами, наблюдается хорошее согласие. Отметим, что при низких мощностях разряда, относительное содержание С в пленках больше, чем относительное содержание С в газовой смеси. Это означает, что в плазме химическое осаждение СН4 по сравнению с SiH4 протекает более эффективно. Однако при увеличении мощности высокочастотных разрядов эффективность разложения газа SiH4 растет и достигает значения для СН4. Концентрация в пленках а^1-хСх:Н углерода и водорода зависит от условий осаждения а^1-хСх:Н, даже в случае неизменного содержания в исходной газовой смеси СН4 и SiH4, РН3 и В2Н6. С введением углерода С в а^кН пленки наблюдаются новые пики инфракрасного поглощения, соответствующие как углерод-гидрогенным связям, так и кремний-гидрогенным связям. Коэффициент поглощения для видимого света составлял 5104см-1, и энергия оптической щели Е0 увеличивалась до 3 эВ (при х = 1), при х = 0 Е0 = 1,85 эВ.

Пленки а^кН, осажденные при температуре подложки 300 °С, характеризовались наличием неоднородно распределенной по толщине нанокристаллической фазы. При этом ширина запрещенной зоны увеличивалась до 2,0 эВ. Можно предположить, что вокруг нанокристал-литов образуются оболочки с высоким содержанием водорода (до 30 ат. %), создающие своеобразный кластер, размеры которого существенно превышают размеры нанокристаллической фазы. Таким образом, вклад в фоточувствительность в коротковолновой области может быть значительно повышен. Такое объяснение позволяет исключить противоречие между малой объемной долей нанокристаллической фазы и ее вкладом в фотопроводимость за счет фотогенерации носителей в нанокристаллической фазе, ширины запрещенной зоны, которой составляла око-

ло 2,2 эВ. Анализ микрофотографических изображений позволил определить размеры нанок-ристаллических включений Si в аморфной матрице. Для пленок a-Si:H, полученных методом ПХО с использованием промежуточного отжига в водородной плазме слоев толщиной 18 нм, средняя площадь сечения нанокристаллитов непосредственно после осаждения составляла ~25 нм2, а средний диаметр ~4,5нм. Для пленок a-Si:H, отожженных при 500 °С, наблюдается некоторое увеличение размера и числа на-нокристаллических включений.

После отжига при 650 °С средняя площадь нанокристаллитов увеличивалась с 25 до 68 нм2, а после отжига при >650 °С — до 80 нм2. Это соответствует возрастанию среднего диаметра с 5-6 нм до ~9-10 нм.

При получении пленок a-Si1-xCx:H карбид-кремния при температурах 300-600 °С в плазме с толщиной 0,5-1,0 мкм наблюдалось увеличение плотности нанокристаллов SiC, средний размер которых составлял 10 нм.

После освещения пленок светом с длиной волны в интервале 0,3-0,9 мкм в течение 500 ч никаких изменений их характеристик не наблюдалось, что позволяет считать пленки a-Si1-xCx:H, полученные методом ПХО, перспективным материалом для создания солнечных элементов (эффект Стэблера - Вронского не наблюдался).

Список литературы

1.Наджафов Б. А., Исаков Г. И. Получение и легирование аморфных пленок на основе Si и Ge // Альтернативная энергетика и экология. 2005. №4. С. 79-81.

2. Мездрогина М. М., Мосина Г. Н., Теру-ков Е. И., Трапезникова И. Н. // ФТП. 2001. Т. 35, вып. 6. С. 714-716.

3. Тетельбаум Д. И., Ежевский А. А., Михайлов А. Н. // ФТП. 2003. Т. 37, вып. 11. С. 13801382.

4. Голиков О. А., Богданова Е. В., Бабаход-жаев У. С. // ФТП. 2002. Т. 36, вып. 10. С. 12591262.

5. Голикова О. А., Богданова Е. В., Каза-нин М. М., Кузнецов А. Н., Терехов В. А., Каш-керов А. М., Остапенко О. В. // ФТП. 2001. Т. 35, вып. 5. С. 600-603.

6. Курова М. А., Ормонт Н. Н., Теруков Е. И., Трапезникова И. Н. // ФТП. 2001. Т. 35, вып. 3. С. 367-370.

7. Hallohon Y. R., Bell A. T. Techniques and Application of Plazma Chemistry. New-York, 1974. P.403.

8. Metaqqart F.K. Plazma Chemistry in Electrical Disharqes, Elsevier, New-York, 1967. Monograph 9, ^pics in Inorganic and Chemistry.

178

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

II