Научная статья на тему 'Влияние температуры подложки на оптические свойства тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим методом'

Влияние температуры подложки на оптические свойства тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим методом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
312
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АРГОН-СИЛАНОВАЯ ПЛАЗМА / ARGON-SILANE PLASMA / ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД / GLOW DISCHARGE / СТРУЙНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ / ШИРИНА ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ / СТРУКТУРА ПЛЕНОК / ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК / DEPOSITION OF THIN FILMS / ТОНКИЕ ПЛЕНКИ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ / THIN FILMS OF AMORPHOUS SILICON / METASTABLE STATES OF ARGON / POPULATION OF STATES / HIGH-FREQUENCY DISCHARGE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Струнин Владимир Иванович, Баранова Лариса Васильевна

Проведены исследования пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим способом, определена ширина запрещенной зоны, вычислена концентрация водорода в пленках, а также определена зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации водорода и температуры подложки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Струнин Владимир Иванович, Баранова Лариса Васильевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Temperature effect of a substrate on optical properties of the thin films of the amorphous hydrogenated silicon deposited by a plasmo-chemical jet method

Researches of the films of the amorphous hydrogenated silicon received in the jet plasmochemical way are conducted, width of the energy gap is determined, concentration of Hydrogenium in films is calculated, and also dependence of width of the energy gap on concentration of Hydrogenium and temperature of a substrate is defined. Deposition of thin films of amorphous silicon was carried out by the jet plasmochemical method different from standard methods the fact that the zone of decomposition of gas and a zone of a deposition of radicals are divided that excludes contact of reagents with walls of the building bag and the relevant canals of secondary reactions, the bound to heterogeneous processes on camera walls. On a surface of the growing film only products of primary interaction of electrons with molecules of silane gas react. In the course of work a number of films with various original values of temperature of a substrate (Td = 100-300 °C) was received, both at identical, and at different values of parameters of the flow ratio of plasma-forming gas Q, P power of glow discharge, for them width of the energy gap was determined and concentration of Hydrogenium is calculated. Eg value fluctuates from 1.63 to 1.98 eV, value of concentration H2 in films fluctuates from 9 to 31 %. These ratios say that a way of drawing (a dusting, drawing by a jet method in a glow discharge) and deposition parameters (T, RF power, shift etc.) define Eg (in limit of errors 0.1 eV) mainly because the content of Hydrogenium in exemplars depends on them. With temperature increase of a substrate, concentration of Hydrogenium decreases. Annealing of the received exemplars was made for confirmation of it. Annealing was carried out within 30 minutes at a temperature of 200 °C, further was again measured values of width of the energy gap and concentration of Hydrogenium paid off. In process of annealing density of defects decreases on several orders and Eg increases. Therefore, as a result of Hydrogenium exit annealing leads to reconstruction of a structural grid and to change of optical properties of films. Thus in work it was defined that the content of Hydrogenium increases in the films received by a jet method at decrease of temperature of a substrate, pressure drop of a silane and increase in power of the category, the content of Hydrogenium, in turn influences width of the energy gap. Change of width of the energy gap leads to change of optical properties of a film.

Текст научной работы на тему «Влияние температуры подложки на оптические свойства тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим методом»

УДК 538.958

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДЛОЖКИ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ СТРУЙНЫМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

СТРУНИН В. И., БАРАНОВА Л. В.

Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, 644077, г. Омск, пр. Мира, 55-А

АННОТАЦИЯ. Проведены исследования пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим способом, определена ширина запрещенной зоны, вычислена концентрация водорода в пленках, а также определена зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации водорода и температуры подложки.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аргон-силановая плазма, тлеющий разряд, струйный плазмохимический способ, ширина запрещенной зоны, структура пленок, осаждение тонких пленок, тонкие пленки аморфного кремния.

ВВЕДЕНИЕ

Отдельное направление в разработке альтернативных и возобновляемых источников энергии и разработке устройств генерации электрической энергии на их основе занимают p-i-n-структуры для солнечных элементов, фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, выполненных на основе аморфного (a-Si:H) и микрокристаллического (mc-Si) кремния [1].

При производстве фотоэлектрических преобразователей традиционными способами в плазме тлеющего разряда процессы переноса и рекомбинации носителей заряда в аморфном кремнии тесно связаны с условиями приготовления пленок: составом атмосферы смеси газов, давлением, мощностью ВЧ-разряда, температурой подложки и т.д., поэтому получение высококачественных пленок требует оптимизации режимов и технологий их формирования.

Температура подложки, оптимальное значение которой влияет на скорость роста и качество растущей пленки играет важную роль в процессе формирования пленок. Высокое значение температуры подложки снижает эффективность осаждения, связанную с отражением молекул испарением, а также затратами электроэнергии на нагрев. Низкая температура приводит к снижению подвижности пленкообразующих комплексов, зародышеобразованию и структурной неоднородности пленки [2].

В данной работе были проведены исследования влияния температуры подложки на оптические свойства тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим методом.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Осаждение тонких пленок аморфного кремния проводилось на вакуумной установке ННВ 6.1. Плазма тлеющего разряда возбуждалась в цилиндрической вакуумной камере диаметром 7 см, длиной 10 см, диаметр сопла выбирался равным 3 мм. Расстояние от среза сопла до подложки составляло 6 см. Давление в камере плазмотрона контролировалось емкостным вакуумным датчиком SETRA 730. Емкостной высокочастотный (ВЧЕ) тлеющий разряд возбуждался генератором ACG-6b колебательной мощностью 600 Вт (напряженность поля составила E = 50 В/см). Два пластинчато-роторных насоса и диффузионный насос откачивали вакуумную камеру до предельного остаточного давления 510-6 Торр.

Стеклянные подложки размером 6*6 см проходили очистку с использованием кипящего раствора серной кислоты и дистиллированной воды. Перед напылением подложки, отжигались в вакуумной камере при температуре 200 - 300 °C. Расходомером Horiba SEC-E40 контролировался поток рабочего газа в пределах 10 - 50 sccm. Удельная мощность разряда варьировалась в диапазоне от 100 до 500 мВт/см . После повышения давления в камере плазмотрона до рабочего диапазона возбуждался ВЧЕ тлеющий разряд. Направленная скорость плазменной струи способствует локальному увеличению плотности реагентов над подложкой, что позволяет увеличить вероятность релаксации молекулы на подложке. Сформированная плазменная струя имеет выделенное направление, скорости в поперечных к выделенному направлениях «замораживаются», что приводит к снижению эффективности рекомбинационных процессов, а также увеличивает долю молекул способных достигнуть поверхности подложки. В данном методе зона разложения силана и зона осаждения радикалов разделены. Метод исключает контакт реагентов со стенками рабочей камеры и исключает соответствующие каналы вторичных реакций связанные с гетерогенными процессами на стенках камеры. Эти обстоятельства приводят к тому, что на поверхности растущей пленки вступают в реакцию только продукты первичного взаимодействия электронов с молекулами кремнийсодержащего газа [2].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе выполнения работы был получен ряд пленок с различными исходными значениями температуры подложки (Td = 100 - 300 °C), при одних и тех значениях параметров разряда и расхода плазмообразующего газа Q, мощности разряда P (P = 250 мВт/см2, Q = 15 sccm).

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

В результате проведенного исследования было выяснено, что в областях примерно 600 - 700 см-1 и 2100 - 2300 см-1 присутствуют колебания группы SiH. Также исследование показало, что в пленке кроме колебаний группы SiH присутствуют колебания групп Si-O-Si и Si-CH (рис. 1).

1000 1500

Длина волны, см 1 Рис. 1. Спектр ИК - поглощения света

Типичный спектр комбинационного рассеяния света (КРС), характерный для осажденных в описанных условиях пленок аморфного кремния, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния света

Анализ спектра КРС позволил установить, 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. В спектре наблюдается полоса при 470 см-1 от аморфной фазы (рис. 2).

Аналогично ИК-спектрам, в спектрах 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 C-H2, C-H3, С-С.

Из сравнения интенсивностей рассеяния на колебаниях этих групп можно сделать вывод о присутствии в пленке значительного количества атомов водорода, насыщающего оборванные связи кремния в основном в конфигурации Si-H2, (Si-H2)n, Si-H3. Содержание водорода в пленках влияет на ширину запрещенной зоны (Eg), и на оптические свойства пленок.

Проведены исследования состава остаточной атмосферы ростовой камеры с применением метода масс-спектрометрии.

Установлено, что разложение силана в плазме ВЧ разряда происходит по двум наиболее существенным каналам - в результате электронного удара:

e + SiH4 ®SiH2 + 2H + e ®SiH3 + H + e ®SiH + H+H2 + e ®SiH2 + H2 + e

(R1) (R2) (R3) (R4)

и взаимодействия с метастабильными частицами аргона Arm (3P02), если используется смесь Ar/SiH4:

Arm + SiH4® SiH2 + 2H +Ar Arm +SiH4®SiH3 + H + Ar

(R5) (R6)

Диссоциация молекулы SiH4 электронным ударом наиболее вероятно протекает по каналу ^1): распределение продуктов реакции составляет 83 % для реакции (Д1) и 17 % для (R2), остальные реакции ^3^4) имеют малое сечение взаимодействия (по сравнению с суммарным сечением нейтральной диссоциации).

Что касается метастабильных частиц Агт, то они образуются только в результате неупругих столкновений высокоэнергетичных электронов с атомами Аг:

е + Аг ® Агт + е

^7)

Ввиду высокого потенциала возбуждения (»11,6 эВ), константа скорости реакции оказывается сравнимой со скоростью реакций ^1^2). Очевидно, электронный удар, являясь инициатором химических реакций, оказывает значительное влияние на образование радикалов SiHm. Изменение начального состава газа существенно изменяет поведение радикалов, в первую очередь SiHз, SiH2, SiH, которые являются основным компонентом растущей пленки. Электронный удар, помимо непосредственного участия в диссоциации молекул SiH4, оказывает косвенное влияние (через концентрацию радикалов SiH3, SiH2, SiH) на концентрации остальных реагентов. Поэтому концентрация электронов, наряду с их энергетическим распределением, играет существенную роль в кинетике процессов газового разряда.

Реакция R6, являясь дополнительным каналом разложения силана, увеличивает производство силила ^Ш3) в сравнении с плазмой чистого силана. Однако время выхода SiH3 на равновесный уровень в смеси Аг^Ш4 увеличивается. Это объясняется снижением числа газофазных процессов силила с другими радикалами, которые идут на образование силанов высших порядков, а потом и конденсированной дисперсной фазы (КДФ) [3].

Концентрация компонент, главным образом, участвующих в образовании тонких пленок кремния, а именно SiH, SiH2 и, вероятно, SiH3 растет пропорционально концентрации силана в аргон-силановой смеси [4].

При исследовании края фундаментального поглощения определена ширина запрещенной зоны и концентрация водорода в полученных пленках, а также получена зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации водорода. Фундаментальные переходы в аморфных полупроводниках включают в себя переходы с края подвижности валентной зоны на край зоны проводимости. Коэффициент поглощения в случае сильного поглощения в материале пленки и пренебрежимо малого поглощения в подложке рассчитывается по формуле (1):

а = — • 1п

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

й

где Т- коэффициент пропускания,

1 ( I1 - Ъ И1 - ^ К1 - Ъ ) 1

Т

Ъ =

' п_,-112 V п1 +1 у

Ъ12 =

с у п1 - п2

П + п

Ъ =

2 У

' 12 V п2 +1 у

(1)

(2)

- коэффициенты отражения от границ воздух-пленка, пленка-подложка и подложка-воздух, а П1, п2 - показатели преломления пленки и подложки, соответственно [8, стр. 164].

Показатель преломления стекла п2 = 1,53, а для аморфного кремния использовалось среднее значение п1 = 3,8, слабо меняющееся в области края поглощения. Зависимость произведения коэффициента поглощения а на значение энергии кванта И> в степени

1/2 (ак\)^ от энергии излучения приведена на рис. 3.

Измерение спектральной зависимости коэффициента пропускания Т, полученных пленок осуществлялось при помощи однолучевого спектрофотометра СФ-56.

200-

160-

СО еэ

са

120-

>

В

40-

1,6

1,8

—I—

2,0 2,2 2,4 2,6

Энергия, эВ

Рис. 3. Край фундаментального поглощения

—I— 2,4

2,8

3,0

Значение коэффициента поглощения было определено из соотношения:

1

а =—1п—, ё Т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(3)

которое получено для значений Т < 10 % в случае отсутствия интерференционной картины; ё - толщина пленки.

На основании результатов измерений были построены кривые зависимости энергии излучения Е (где Е = 1,24/1) от произведения коэффициента поглощения а на значение энергии кванта иу в степени 1/2 - (оиу)/. По точкам линейного участка кривой проводилась аппроксимация с последующей экстраполяцией до пересечения с осью абсцисс. Точка пересечения с осью абсцисс определяет значение ширины запрещенной зоны. Этот график Тауца обычно используют для определения ширины запрещенной зоны Её [6].

Используя значение ширины запрещенной зоны, можно рассчитать концентрацию водорода в пленках, применив формулу:

С

Е -1,5

0,015

(4)

Форма и положение края поглощения а-Б1:Н изменяются в зависимости от условий приготовления, а именно от содержания водорода в пленках, температуры подложки при нанесении пленки и температуры отжига. В области линейной зависимости, положение края поглощения можно задать единственной энергией (шириной запрещенной зоны) Её [5, стр. 29-31].

Полученное экстраполяцией значение Её, на рис. 3 составляет 1,8 эВ. Оценка концентрации водорода в пленке, согласно данным [6] следующая:

Сн - 15 %; С^ш - 3 %; С8ш - 10 %, остальные 70 % - С 81(Щп.

Ширина запрещенной зоны и концентрация водорода были определены для пленок, осажденных при разных температурах подложки. Полученные данные представлены в табл. 1.

Значение Её колеблется от 1,63 до 1,98 эВ. Рассчитанное значение концентрации Н2 в пленках колеблется от 9 до 31 %.

0

Значения исследуемых параметров пленок

Таблица 1

N пленки T, °C Eg , эВ CH, ат.%

1 100 1,98 31

2 100 1,92 28

3 100 1,91 27

4 100 1,90 26

5 150 1,82 21

6 150 1,79 19

7 150 1,79 19

8 200 1,78 19,2

9 200 1,73 15

10 200 1,72 14

11 250 1,72 14

12 250 1,70 13

13 280 1,63 9

Согласно литературным данным ширина запрещенной зоны a-Si приблизительно равна 1,7 эВ. Более высокие полученные значения Eg в пленках объясняются повышенным содержанием водорода в них. Изменения Eg обуславливаются в основном содержанием водорода в образцах [5, стр. 185]. Зависимость Eg от концентрации водорода для образцов a-Si:H, полученных в тлеющем разряде рис. 4, показывает, что имеет место линейное соотношение между оптической шириной зоны и концентрацией:

Eg = 1,5 + 0,0153СЯ, (5)

где Eg в эВ, а СН - в ат. % для пленок, осажденных при температурах подложки выше ~ 200 °С.

Аналогичное соотношение между СН и Eg для 2 < СН < 17 ат. % подходит для целого ряда пленок, приготовленных в тлеющем разряде при температурах подложки Т = 300 °С:

Eg = 1,48 + 0,019СН. (6)

2,00 1,95 1,90 1,85

$ 1,80-

"га

ш

1,75 1,701,65 1,60

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

CH, ат. %

Рис. 4. Зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации водорода для пленок аморфного кремния

Данные соотношения говорят о том, что способ нанесения (напыление, нанесение струйным методом в тлеющем разряде) и параметры нанесения (Т, ВЧ мощность, смещение и т.д.) определяют Её (в пределах погрешности 0,1 эВ) главным образом потому, что от них зависит содержание водорода в образцах. Пленки, приготовленные при высоких температурах подложки, обычно содержат меньше водорода и поэтому характеризуются меньшей оптической шириной запрещенной зоны [6].

Данные по спектрам поглощения образцов в области 300 - 900 нм представлены на рис. 5. Измеренные Её приведены в табл. 2. Как можно видеть, энергия ширины запрещенной зоны несколько выше, чем для образцов пленок аморфного кремния, получаемых традиционными методами (1,7 - 1,9 эВ). Это также объясняется высокой концентрацией водорода в пленке (СН = 10 - 15 % для традиционных методов, при температуре подложки Та = 300 °С), что, в свою очередь, обуславливается большим потоком активированных частиц на подложку. Увеличение Её у образцов, приготовленных при температуре подложки Та < 250 °С, связана с формой спектра поглощения (рис. 5). В спектрах этих пленок имеется необычно высокий хвост, обусловленный дефектами. По мере увеличения температуры подложки наблюдается тенденция к уменьшению Её при потере водорода.

0,0

0,5-

1,0

Ч <и

х 1,5-н о

2,0

2,5-

3,0

300 400

500

600 1, нм

700

1 - 220 ::С

2 - 240 0С

3 - 120 0С

4 - 250 0С

5 - 250 0С

6 - 280 0С

800

900

Рис. 5. Спектры оптического поглощения пленок аморфного кремния, при разных температурах подложек

Таблица 2

Зависимость концентрации радикалов силана и водорода, ширины запрещенной зоны

от температуры подложки

N пленки Ев, эВ Сн, % СSiН, % СSiН2, % Та, °С

1 1,93 18 - 23 12 - 18 8 - 10 300

2 1,95 20 - 26 13 - 18 9 - 11 285

3 1,97 22 - 28 17 - 21 10 - 12 260

4 1,97 22 - 28 17 - 21 10 - 12 250

5 2,05 25 - 32 18 - 23 12 - 14 225

6 2,10 27 - 35 20 - 25 13 - 15 200

Следует отметить, что оценить концентрацию водорода по значениям Eg 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.

Введение водорода в a-Si влияет на увеличение расстояния края валентной зоны от уровня Ферми. Сдвиг является результатом удаления края валентной зоны, а не смещения уровня Ферми внутри щели подвижности [7].

Смещение максимума валентной зоны (МВЗ) при гидрогенизации приписывается замещению связи Si-Si более сильной связью Si-H, которая сдвигает состояния из вершины валентных зон глубоко внутрь валентных зон. Уменьшение числа состояний обусловливается не только атомами Si, непосредственно связанными с H. Присутствие Н2 на оборванной связи уменьшает заряд связи и приводит к смещению состояний на 0,25 эВ из вершины валентной зоны.

По этой причине наблюдается реальное смещение МВЗ даже при малых концентрациях водорода, а не просто ослабление эмиссии вблизи вершины валентной зоны вследствие того, что небольшое количество атомов образует химические связи непосредственно с Н. На дно зон проводимости мало влияет введение водорода, поэтому сдвиг МВЗ ответственен почти за все изменение оптической ширины зоны Eg при изменении содержания Н2. Очевидно, флуктуации содержания Н2 приводят к пространственным флуктуациям края валентной зоны и как следствие к появлению локализованных состояний вблизи валентной зоны [9].

Ясно видно, что с повышением температуры подложки уменьшается ширина запрещенной зоны. Это можно объяснить ростом амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, а также тем, что с увеличением температуры изменяются межатомные расстояния, что также оказывает влияние на ширину запрещенной зоны. Изменение температуры подложки также влияет на концентрацию водорода в пленках. Видно, что с повышением температуры концентрация водорода снижается. Это можно объяснить тем, что с повышением температуры связи между атомами кремния и водорода ослабевают и частично разрушаются, что приводит к выходу части водорода из пленки. Для подтверждения этого был произведен отжиг полученных образцов. Отжиг проводился в течение 30 минут при температуре 200 °С, далее снова измерялась спектральная зависимость коэффициента пропускания и рассчитывались значения ширины запрещенной зоны и концентрации водорода. Полученные данные представлены в табл. 3.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 3

Зависимость ширины запрещенной зоны и концентрации водорода от температуры подложки до и после отжига

N пленки Td ,0 C Eg , эВ Eg , эВ, после отжига Ch , ат.% Ch , ат.%, после отжига

1 100 1,98 1,89 31 25

2 100 1,92 1,87 28 25

3 100 1,91 1,72 27 15

4 100 1,9 1,6 26 7

5 150 1,82 1,73 21 15

6 150 1,79 1,72 19 13

7 150 1,79 1,5 19 <1%

8 200 1,78 1,73 19,2 15

9 200 1,73 1,65 15 10

10 200 1,72 1,4 14 <1%

11 250 1,72 1,63 14 8

12 250 1,70 1,63 13 8

13 250 1,63 1,5 9 <1%

Водород в пленках аморфного кремния компенсирует свободные связи. Колебательная спектроскопия в средней ИК-области показывает, что атомы водорода в а-SLH ковалентно связаны и могут образовать одну из четырех конфигураций: моногидрид (Si-H), дигидрид (-SiH2-), тригидрид (-SiH3-) и полимер (-SiH2)n. Их присутствие изменяется с условиями нанесения пленок и оптическими свойствами [8, стр. 177-181].

Для низкотемпературных пленок характерна высокая плотность дефектов. В a-Si:H

19 3

присутствует, обычно, около 10 см- оборванных связей. С помощью отжига при довольно умеренных температурах (150 - 200 °С) оборванные связи можно уменьшить почти

15 3

до 10 см- . По мере отжига плотность дефектов снижается на несколько порядков, и Eg возрастает [9].

В пленках аморфного кремния, осажденных при температуре подложки выше 200 градусов, основная часть водорода существует в форме моногидрида. Пленки, осажденные при более низких температурах, содержат значительное количество дигидрида (возможно, и тригидрида), а также короткие полимерные цепи, которые и являются основной причиной высокой плотности дефектов, которая характерна для пленок, полученных при низкой температуре подложки.

При температуре подложки больше 350 °С плотность дефектов также возрастает в результате образования свободных связей из-за снижения содержания водорода [10].

По мере отжига плотность дефектов снижается на несколько порядков и Eg возрастает.

Это можно объяснить тем, что одновалентный ковалентно связанный H2 пассивирует дефекты типа оборванных связей кремния и частично снимает механические напряжения за счет разрыва слабых связей Si-Si с образованием более прочных связей Si-H.

Следовательно, отжиг приводит к реконструкции структурной сетки в результате выхода водорода и изменению оптических свойств пленок.

Изменение Eg с отжигом определяется двумя факторами: с одной стороны, потеря водорода приводит к понижению Eg, с другой стороны релаксация структурной сетки понижает хвосты поглощения, которые обусловлены дефектами, и таким образом увеличивает Eg, при условии, что хвосты начинаются достаточно близко к Eg.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены исследования пленок аморфного гидрогенизированного кремния, полученных струйным плазмохимическим способом, определена ширина запрещенной зоны, вычислена концентрация водорода в пленках, а также определена зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации водорода и температуры подложки. Содержание водорода в пленках, полученных струйным методом, возрастает при уменьшении температуры подложки, падении давления силана и увеличении мощности разряда.

Добавление связанного водорода в структуру пленок аморфного кремния приводит к смещению вершины валентной зоны вниз, так что ширина запрещенной зоны возрастает, отжиг приводит к реконструкции структурной сетки в результате выхода водорода и изменению оптических свойств пленок.

Изменение ширины запрещенной зоны приводит к изменению оптических свойств пленки. По мере увеличения температуры подложки наблюдается тенденция к уменьшению Eg при потере водорода.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-42-550936р_а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьев В. П., Теруков Е. И., Шерченков А. А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 168 с.

2. Струнин В. И., Баранова Л. В., Худайбергенов Г. Ж., Шатохин А. Ю. Способ нанесения пленок аморфного кремния и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2165476. 2001.

3. Струнин В. И., Баранова Л. В., Ляхов А. А., Попов В. В., Худайбергенов Г. Ж., Якоб С. С. Оптические свойства пленок аморфного кремния, полученные струйным плазмохимическим методом // Вестник Омского университета. 2010. № 2. С. 87-90.

4. Струнин В.И., Ляхов А.А., Худайбергенов Г.Ж., Шкуркин В.В. Моделирование процесса разложения силана в высокочастотной плазме // Журнал технической физики. 2002. Т. 72, вып. 6. С. 109.

5. Джоунопулос Дж. Физика гидрогенизированного аморфного кремния / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски, пер. с англ. под ред. А. А. Андреева. Выпуск 2. Электронные и колебательные свойства. М.: Мир, 1988. 447 с.

6. Fukutani K., Kanbe M., Futako W., Kaplan B, Kamiya T., Fortmann C. M, Shimizu I. Band gap tuning of a-Si:H from 1.55 eV to 2.10 eV by intentionally promoting structural relaxation // Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, vol. 227-230, part 1, pp. 63-67.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Шарафутдинов Р. Г., Бакланов М. Р., Аюпов Б. М., Бадалян А. М., Поляков О. В., Скрытников А. В., Парахневич А. В., Могильников К., Бирюков С. А. Особенности процессов осаждения и свойства слоев кремния, полученных струйным плазмохимическим методом с электронно-лучевой активацией газов // Журнал технической физики. 1995. Т. 65(1). C. 181-186.

8. Джоунопулос Дж. Физика гидрогенизированного аморфного кремния / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски / пер. с англ. под ред. А. А. Андреева. Выпуск 1. Проблемы прикладной физики. М.: Мир, 1987. 363 с.

9. Бродски М. Аморфные полупроводники / пер. с англ. М.: Мир, 1982. 417 с.

10. Хамакава Й. Аморфные полупроводники и приборы на их основе / пер. с англ. под ред. С. С. Горелика. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

TEMPERATURE EFFECT OF A SUBSTRATE ON OPTICAL PROPERTIES OF THE THIN FILMS OF THE AMORPHOUS HYDROGENATED SILICON DEPOSITED BY A PLASMO-CHEMICAL JET METHOD

Strunin V. I., Baranova L. V.

Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia

SUMMARY. Researches of the films of the amorphous hydrogenated silicon received in the jet plasmochemical way are conducted, width of the energy gap is determined, concentration of Hydrogenium in films is calculated, and also dependence of width of the energy gap on concentration of Hydrogenium and temperature of a substrate is defined.

Deposition of thin films of amorphous silicon was carried out by the jet plasmochemical method different from standard methods the fact that the zone of decomposition of gas and a zone of a deposition of radicals are divided that excludes contact of reagents with walls of the building bag and the relevant canals of secondary reactions, the bound to heterogeneous processes on camera walls. On a surface of the growing film only products of primary interaction of electrons with molecules of silane gas react.

In the course of work a number of films with various original values of temperature of a substrate (Td = 100300 °C) was received, both at identical, and at different values of parameters of the flow ratio of plasma-forming gas Q, P power of glow discharge, for them width of the energy gap was determined and concentration of Hydrogenium is calculated. Eg value fluctuates from 1.63 to 1.98 eV, value of concentration H2 in films fluctuates from 9 to 31 %. These ratios say that a way of drawing (a dusting, drawing by a jet method in a glow discharge) and deposition parameters (T, RF power, shift etc.) define Eg (in limit of errors 0.1 eV) mainly because the content of Hydrogenium in exemplars depends on them. With temperature increase of a substrate, concentration of Hydrogenium decreases. Annealing of the received exemplars was made for confirmation of it. Annealing was carried out within 30 minutes at a temperature of 200 °C, further was again measured values of width of the energy gap and concentration of Hydrogenium paid off. In process of annealing density of defects decreases on several orders and Eg increases. Therefore, as a result of Hydrogenium exit annealing leads to reconstruction of a structural grid and to change of optical properties of films.

Thus in work it was defined that the content of Hydrogenium increases in the films received by a jet method at decrease of temperature of a substrate, pressure drop of a silane and increase in power of the category, the content of Hydrogenium, in turn influences width of the energy gap. Change of width of the energy gap leads to change of optical properties of a film.

KEYWORDS: argon-silane plasma, glow discharge, metastable States of argon, the population of States, high-frequency discharge, deposition of thin films, thin films of amorphous silicon.

REFERENCES

1. Afanas'ev V. P., Terukov E. I., Sherchenkov A. A. Tonkoplenochnye solnechnye elementy na osnove kremniya. 2-e izd. [Thin film solar cells based on silicon. 2nd ed.]. St. Petersburg: SPbGETU «LETI» Publ., 2011. 168 p.

2. Strunin V. I., Baranova L. V., Khudaybergenov G. Zh., Shatokhin A. Yu. Sposob naneseniya plenok amorfnogo kremniya i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [Method of application of amorphous silicon films and device for its implementation]. RF Patent, no. 2165476, 2001.

3. Strunin V. I., Baranova L. V., Lyakhov A. A., Popov V. V., Khudaybergenov G. Zh., Yakob S. S. Opticheskie svoystva plenok amorfnogo kremniya, poluchennye struynym plazmokhimicheskim metodom [Optical properties of amorphous silicon films obtained by jet plasma-chemical test]. Vestnik Omskogo universiteta [Bulletin of Omsk University], 2010, no. 2, pp. 87-90.

4. Strunin V. I., Lyakhov A. A., Khudaibergenov G. Zh., Shkurkin V. V. Numerical simulation of silane decomposition in an RF plasma. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2002, vol. 47, no. 6, pp. 760-766.

5. Joannopoulos J. D., Lucovsky G. (Ed.). The Physics of Hydrogenated Amorphous Silicon II. Electronic and Vibrational Properties. Topics in Applied Physics. Vol. 56. 1984. 360 p. doi:10.1007/3540128077

6. Fukutani K., Kanbe M., Futako W., Kaplan B, Kamiya T., Fortmann C. M, Shimizu I. Band gap tuning of a-Si:H from 1.55 eV to 2.10 eV by intentionally promoting structural relaxation. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, vol. 227-230, part 1, pp. 63-67.

7. Sharafutdinov R. G., Baklanov M. R., Ayupov B. M., Badalyan A. M., Polyakov O. V., Skrytnikov A. V., Parakhnevich A. V., Mogil'nikov K., Biryukov S. A. Osobennosti protsessov osazhdeniya i svoystva sloev kremniya, poluchennykh struynym plazmokhimicheskim metodom s elektronno-luchevoy aktivatsiey gazov [Features of the deposition process and the properties of the silicon layers produced by plasma spray method with electron-beam activation gases]. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 1995, vol. 65(1), pp. 181-186.

8. Joannopoulos J. D., Lucovsky G. (Ed.). The Physics of Hydrogenated Amorphous Silicon I. Structure, Preparation, and Devices. Topics in Applied Physics. Vol. 55, 1984. 287 p. doi:10.1007/3-540-12807-7

9. Brodsky M. H. (ed.). Amorphous semiconductors. Topics in Applied Physics. Vol. 36, 1979. 337 p. doi: 10.1007/3-540-16008-6

10. Hamakawa Y. (ed.). Amorphous semiconductor: technologies & devices. Japan annual reviews in electronics, computers & telecommunications. Vol. 6, 1983. 345 p.

Струнин Владимир Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, зав. кафедрой экспериментальной физики и радиофизики, тел. 8(3812) 64-83-18, e-mail: strunin@omsu.ru

Баранова Лариса Васильевна, зав. учебно-научной лабораторией кафедры экспериментальной физики и радиофизики, тел. 8(3812) 64-83-18, e-mail: baranova@omsu. ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.