Влияние высокотемпературного отжига в водороде легированных бором пленок a-Si:h на их оптические свойства Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.315.592

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА В ВОДОРОДЕ ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ ПЛЕНОК a-Si:H НА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

И. А. Курова, М. А. Нальгиева

(.кафедра физики полупроводников) E-mail: ormont@phys.msu.ru

Из спектров пропускания легированных бором пленок a-Si:H вычислены спектральные зависимости коэффициентов преломления и поглощения до и после их высокотемпературного отжига в потоке водорода и определены величины статического коэффициента преломления щ и оптической ширины запрещенной зоны Eg. Получено, что щ увеличивается от 3.4 до 3.69, а ширина запрещенной зоны Eg уменьшается от 1.82 до 1.52 эВ при увеличении температуры отжига до 650 °С. Эти изменения обусловлены уменьшением содержания водорода в пленках до концентраций, меньших 1 ат.%, и в пределах точности эксперимента не зависят от концентрации бора в пленках и начальной концентрации водорода.

Введение

Свойства пленок аморфного гидрированного кремния (а-ЭпН) зависят от метода и режима их получения. Было показано [1, 2], что существенным фактором, влияющим на электрические, фотоэлектрические и оптические свойства нелегированных пленок а-ЭпН, является температура их получения Тв (температура подложки). Последующие внешние воздействия — световые и тепловые — также влияют на эти свойства. В работах [3-6] было установлено, что отжиг нелегированных пленок а-ЭкН в вакууме при температурах Та выше Тв существенно изменяет их электрические и оптические параметры. Это, в частности, обусловлено тем, что после отжига в результате эффузии водорода изменяется его концентрация в пленках и концентрация оборванных связей (ОС) кремния. При высоких температурах отжига (Та > 600 К) наблюдаются и другие изменения структуры, например образование микрокристаллической фазы в аморфной сетке, что также проявляется в существенных изменениях электрических, фотоэлектрических и других свойств пленок а-ЭпН [7].

В работе [8] было исследовано влияние высокотемпературного отжига в потоке водорода на электрические свойства легированных бором пленок. Обнаружено, что высокотемпературный отжиг в потоке водорода приводит к существенному изменению температурной зависимости проводимости легированных бором пленок а-ЭкН. В отожженных легированных пленках наряду с зонным вкладом и вкладом прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по оборванным связям в области промежуточных температур обнаружена прыжковая £2 -проводимость, связываемая с прыжковой прово-

димостью по локализованным состояниям вблизи края валентной зоны е.

Целью настоящей работы было определение влияния высокотемпературного отжига в потоке водорода на оптические свойства легированных бором пленок а-ЭпН. Для сравнения были проведены аналогичные исследования на нелегированных пленках.

1. Образцы, методика определения параметров пленок а-БпН

Исследовались нелегированные и легированные пленки а-ЭкН с концентрациями бора 8- 1016 ем^3 (пленки 1-3) и 4 • 1018 ем^3 (пленки 4-6). Пленки были выращены на кварцевых подложках соответственно при температурах 300 и 250°С методом осаждения в плазме высокочастотного тлеющего разряда. Концентрация водорода в пленках Сн определялась методом инфракрасной спектроскопии, а полная концентрация атомов бора Св — методом вторичной ионной спектроскопии. Указанные параметры исследованных неотожженных (1,4) и отожженных (2, 3, 5, 6) пленок приведены в таблице. Толщина пленок, определенная по скорости и времени их роста, составляла 1 мкм. Отжиг пленок проводился в потоке водорода при температурах 600 и 650°С в течение 30 мин.

На спектрофотометре иУ 5270 «Вескгпап» при комнатной температуре измерялись спектры пропускания структуры тонкая пленка а-ЭпН — толстая прозрачная подложка.

Спектры пропускания исследованных структур в области длин волн, сравнимых с толщиной пленок, имеют осциллирующий характер вследствие эффекта интерференции света. В работе [9] показано, что для оптически однородной пленки на толстой прозрачной подложке величина и спек-

Пленка Та, °С Ts, °с Ся, ат.% С в,, см 3 п0 Eg, eV

1 — 300 10 8- 1016 3.44 1.79

2 600 300 < 1 8- 1016 3.67 1.54

3 650 300 < 1 8- 1016 3.68 1.52

4 — 250 13 4 • 1018 3.40 1.82

5 600 250 < 1 4 • 1018 3.67 1.57

6 650 250 < 1 4 • 1018 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

тральная зависимость коэффициента преломления п(А) в области прозрачности и слабого поглощения пленки вычисляются из спектров пропускания Г (А) по формуле

п( А) =

N+ N¿

А

1/2'

1/2

(1)

где

N = 2п,

Тм — Тт Тм Т,п

7/И- Т,„ — относительные величины пропускания в максимумах и минимумах спектра, а п8 — показатель преломления подложки. Величины коэффициентов преломления определялись с точностью до 1%.

Согласно работе [10], заключение об однородности пленки можно сделать по спектру пропускания структуры. Для однородной пленки в области ее прозрачности величины Тм и Т,„ постоянны и максимум пропускания структуры равен величине пропускания подложки вычисленной по формуле, приведенной в работе [9]:

Ts =

2 ns

1

(2)

В области слабого поглощения однородной пленки Тм и Т,„ уменьшаются с уменьшением А. Для неоднородной пленки в области прозрачности величины Тм не совпадают со значением а Т,„ в области слабого поглощения увеличивается с уменьшением А.

Спектры пропускания всех исследованных нами пленок свидетельствуют о достаточной их однородности, что обусловливалось высокой температурой получения, когда скорость роста пленок мала. Поэтому расчет коэффициентов преломления исследованных пленок в области прозрачности и слабого поглощения проводился по формуле (1).

Как показано в работе [9], в области сильного (межзонного) поглощения, где Т{А) <0.2, интерфе-

ренция практически отсутствует и коэффициент поглощения пленки а (Ни) определяется соотношением

ctihv) = — —, ln а

(n{X)+\f(n{X)+ní)-^ns{n{\))

(3)

• относительная показатели пре-

где d — толщина пленки, Т величина пропускания, п и ns ломления пленки и подложки.

Величины п(А) в области сильного поглощения определялись нами путем экстраполяции зависимости п(А), найденной нами для области прозрачности и слабого поглощения, в эту область длин волн.

Оптическая ширина запрещенной зоны Eg исследованных пленок a-Si:H определялась по методу Тауца [11] из найденной нами спектральной зависимости a{hv) в области межзонного поглощения. Точность измерения величины Eg составляла 3%.

2. Результаты измерений

На рис. 1 показаны типичные спектры пропускания Т{А) исследованных неотожженной и отожженной структур с концентрацией бора в пленке 4-1018 см^3. Видно, что величины максимумов пропускания Тм неотожженной структуры в области длинных волн совпадают с величиной пропускания подложки Ts (горизонтальная линия), вычисленной при ns = 1.51. Это означает, что неотожженная пленка прозрачна в области длинных волн и, следовательно, оптически однородна.

500 800 1100 1400 1700 2000 2300

X, нм

Рис. 1. Спектры пропускания структур с неотожженной пленкой 4 (квадраты) и отожженной пленкой 6 (крестики)

Из рисунка видно, что спектры отожженной и неотожженной пленок различны. В исследованном интервале длин волн в спектре отожженной структуры величины Тм меньше 7S, т.е. у пленки нет области прозрачности. Это может быть обусловлено уменьшением ширины запрещенной зоны

и увеличением концентрации ОС кремния после высокотемпературного отжига. На уменьшение ширины запрещенной зоны указывает сдвиг края пропускания в длинноволновую область. Уменьшение величины Тм может быть обусловлено возникающей в отожженной пленке оптической неоднородностью — изменением коэффициента преломления по толщине пленки. Однако в спектре оптически неоднородной пленки в области слабого поглощения Т,„ увеличивается с уменьшением длины волны. Этого не наблюдается в спектрах пропускания всех исследованных отожженных пленок, что позволяет нам сделать заключение об оптической однородности отожженных пленок и возможности применения формулы (1) для вычисления их коэффициента преломления.

На рис. 2 приведены величины п(А) для неотож-женных и отожженных пленок (1-8), вычисленные в области прозрачности и слабого поглощения по формуле (1). Сплошные кривые соответствуют зависимости

„(А) = ^ + п0, (4)

где а и по — параметры пленок. Значения щ для всех исследованных пленок приведены в таблице.

п _,_|_,_,_|_,_,_|_,_,_|_,_,_|_.

\Л8

---------

1

800 1100 1400 1700 2000

X, нм

Рис. 2. Зависимости коэффициентов преломления п от длины волны в области слабого поглощения для пленок 1-8: кривые 1-3 — неотож-женные пленки 1 (о), 4 (□) и 7 ( + ); кривые 4-8 — отожженные пленки 2, 3 (о), 5, 6 (□) и 8 ( + ). Сплошная линия соответствует зависимости п(Х) = а/А2 + по

На рис. 3 приведены спектральные зависимости коэффициентов поглощения а (Ни) всех исследованных пленок для области межзонных переходов в координатах Тауца. Значения а(Ни) рассчитывались по формуле (3). Величины коэффициентов преломления для этой области длин волн находились путем экстраполяции найденной зависимости п(А) для области слабого поглощения, описываемой

/ , \ 1/2 -1/2 т-,-1/2

(аНу) , см эВ

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2

Ну, эВ

Рис. 3. Зависимости (о- • /ш),/2 от /ш для пленок

1-7: кривые 1-3 — неотожженные пленки 1 (о),

4 (□) и 7 ( + ); кривые 4-7 — отожженные пленки 2, 3 (о) и 5, 6 (□)

формулой (4). Экстраполяция линейных зависимостей (о • /г;;),//2 от Ни к нулю дает значения оптических ширин запрещенной зоны Её, которые приведены в таблице.

3. Обсуждение результатов измерений

Из таблицы видно, что ширина запрещенной зоны Её и коэффициент преломления по имеют различные значения в разных исследованных пленках. В работе [2] показано, что значение щ в пленках а-БпН определяется концентрацией водорода Сн в них: По увеличивается с уменьшением Сн. Ширина запрещенной зоны напротив, уменьшается с уменьшением Сн. Как видно из таблицы, значения Её и по в неотожженных пленках (1, 4, 7) коррелируют с этой зависимостью: при уменьшении Сн величина Её уменьшается, а щ увеличивается.

После отжига пленок величины щ существенно увеличились, а Её уменьшились (см. таблицу). Это может указывать на то, что в пленках значительно уменьшилась концентрация водорода. Была проведена оценка концентрации водорода в отожженных пленках методом инфракрасной спектроскопии. Оказалось, что концентрация водорода в пленках уменьшилась до величин, меньших 1 ат.%, что исключило возможность ее точного измерения.

На рис. 4 приведена зависимость щ от Её для исследованных пленок 1-8. Здесь же приведены данные по(Её) для неотожженных нелегированных пленок 9-11, полученных при высоких температурах подложки и исследованных в работе [12]. Видно, что точки По(Её) для неотожженных нелегированных (7, 9-11) и легированных (1, 4) пленок ложатся

D

3.8

Рис. 4. Зависимость щ(Ее) для неотожженных (1, 4, 7, 9-11) и отожженных (2, 3, 5, 6, 8) пленок: 1-3 (о), 4-6 (□), 7, 8 ( + ) и 9-11 (*)

на одну кривую, что определяется изменением концентрации водорода в этих пленках из-за различий в технологических режимах их получения.

Из рис. 4 видно также, что в отожженных пленках (2, 3, 5, 6, 8) величины щ существенно увеличились, а Её уменьшились по сравнению с их величинами в неотожженных пленках. Это связано с тем, что существенно уменьшилась концентрация водорода в них (от Сн = 13-9% до величин Сн < !%)• Величины щ в отожженных пленках 2, 3, 5, 6, 8 различаются меньше, чем на 1%, что лежит в пределах точности измерения. Значения ширины запрещенной зоны Её в этих пленках также различаются на величины, лежащие в пределах точности измерений, равной 3%.

Таким образом, в отожженных при высоких температурах пленках ширина запрещенной зоны Eg и коэффициент преломления щ не зависят от концентрации бора и начальной концентрации водорода.

Авторы выражают глубокую благодарность за помощь в работе и внимание А. Г. Казанскому и И. П. Звягину за обсуждение результатов работы.

Литература

1. Meiling H., Lenting W., Bezemer !., Wan Der Weg F. // Phil. Mag. B. 1990. 62, P. 19.

2. Yamaguchi M., Morigaki K. // Phil. Mag. B. 1999. 79. P. 387.

3. Казанский AT., Миличевич Е.П. // ФТП. 1989. 23. С. 2027.

4. Mitra S., Gleason К.К., lia H., Shinar /. // Phys. Rev. В. 1993. 48. P. 2175.

5. Курова И.A., Лупачева A.H., Мелешко И.В., Ларина Э.В. // ФТП. 1994. 28. С. 1092.

6. Курова И.А., Ормонт H.H., Теруков Е.И. и др. // ФТП. 2001. 35. С. 367.

7. Афанасьев В.П., Гудовских A.C., Теруков Е.И., Трапезникова И.Н. //ФТП. 2002. 36. С."238.

8. Курова H.A., Ормонт H.H., Нальгиева М.А. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2005. № 4. С. 54.

9. Smanepoel R. // J. Phys. Е. 1983. 16. P. 1214.

10. Smanepoel R. // J. Phys. E. 1984. 17. P. 896.

11. Taue J., Grigorivici R., and Vancu A. 11 Phys. Status Solidi. 1966. 15. P. 627.

12. Myburg G.,Smanepoel R. 11 Non-Crystalline Solids. 1987. 96. P. 15.

Поступила в редакцию 13.07.05