Диссертация (1097807), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Исследования показали, что рост начинается не с формирования аморфнойсетки, а непосредственно с образования нанокристаллитов различных размеров.Наночастицы образуются в плазме и последующий рост столбчатой структуры пленкипроисходит за счет разрастания нанокристаллов.Плазменная обработка аморфного слоя в водороде так же приводит к образованиюкристаллитов. Согласно модели разработанной в работе [25] в процессе осаждения вкамере присутствуют атомы водорода и SiHx радикалы.
Химический транспортприводит к образованию nc-Si/a-Si:H. Схематическое изображение данной моделипредставлено на рис. 1.1.Рис. 1.1. Схема, демонстрирующая модификацию поверхности под воздействием водороднойплазмы: а) условно двухслойная система состоящая из слоя a-Si:H и поверхностной области, b)обогащение приповерхностной области водородом на начальном этапе обработки в H2, с) образованиеслоя с нанокристаллами за счет химического транспорта [25].Аморфный кремний, содержащий кремниевые нанокристаллы, так же может бытьполучен в условиях разбавления моносилана водородом в плазме низкой энергии [29]или при низких температурах [30].
В работах [30-35] пленкибыли сформированыметодом плазмохимичекого осаждения при разбавлении моносилана (4,5%) водородом.Материал был назван полиморфным кремнием (pm-Si:H) и представлял собойаморфную матрицу с включениями кристаллического кремния размером порядка 3 нм инебольшой объемной долей кристаллической фазы (не более 15 %). Согласно [32]объемная доля кристаллической фазы сильно зависит от давления в реакционной20камере. Максимальное значение Xc наблюдается в пленках осажденных при давлениипорядка 170 Па. В работе [35] было отмечено, что полиморфный кремний может бытьполучен различными путями, например, 1) осаждение из чистого силана при низкихдавлениях, температуре 700С и низкой мощности ВЧ разряда; 2) при высокомразбавлении в водороде, температуре 100 0С, низком давлении и мощности разряда; 3)при высоком разбавлении в водороде, температуре 200 0С, высокой мощности разряда ивысоких давлениях.
Исследователи полагают, что во всех трехслучаях в плазмесодержатся кремниевые кластеры, а получаемые пленки имеют схожие характеристики.Некоторое время назад активно исследовался способ получения nc-Si/a-Si:H принизкихтемпературахпутемкристаллизацияспомощьюметалла(металлоиндуцированная кристаллизация) [36,37]. В работе [36] пленки a-Si:Hосаждались на стекляннуюподложку при температуре 270 ºС плазмохимическимметодом, после чего поверхность подвергали химическойобработке с цельюустранения формирования оксида на поверхности. Затем напылялся слой алюминия(800 нм) и образцы отжигались при температуре 250 ºС в азоте.
В зависимости отвремени отжига изменялся размер кристаллитов. Авторы работы утверждают что длядостижения доли кристаллической фазы более 50 % необходимо проводить отжиг втечении 8 часов. В работе [37] методом металлоиндуцированной кристаллизации былисформированы пленки средний размер кристаллитов в которых составлял 2-5 нм.Концентрация и средний размер кристаллов были наиболее высоки на границе Al/a-Si:H.Анализ литературы позволяет сделать вывод о том, что на сегодняшний день вобласти формирования наноструктурированных материалов остается много неясного.Не существует единой модели, объясняющей механизмы зарождения и роста нанофазы,а технологии получения пленок с нанокристаллитами во многих случаях достаточносложны.Среди имеющихся технологий наиболее изученным с точки зрения формированияструктуры является метод PECVD.
Поэтому исследования электрических, оптических ифотоэлектрических свойств, а также влияния на них структурных особенностей, будет восновном изучаться на пленках nc-Si/a-Si:H, полученных этим методом. Однако, крометого, представляется весьма актуальным разработка оригинальных технологическихподходов получения наноструктурированных пленок аморфного гидрогенизированногокремния, открывающих новые возможности применения материала. Одним из таких21методов является метод лазерной кристаллизации a-Si:H [38-41], позволяющий локальновоздействовать на структуру и получать планарные системы.
Поэтому наряду спленками nc-Si/a-Si:H, полученными методом PECVD, будут детально исследованы исвойства пленок a-Si:H, подвергнутых лазерной кристаллизации.1.2. Cтруктурапленокnc-Si/a-Si:H,полученныхметодомплазмохимического осаждения из газовой фазыОдним из наиболее важных параметров, определяющих структуру и свойствапленок наномодифицированного аморфного кремния при их получении методомPECVDявляетсясодержаниеводородавгазовойсмеси,тоестьвеличинаR=[H2]/([H2]+[SiH4]). Этот параметр определяет в свою очередь долю кристаллическойфазы содержащейся в пленке. Увеличение R приводит к росту объемной доликристаллической фазы. При R≈0.97 образцы имеют долю кристаллической фазы более70 % [42].
В литературе nc-Si/a-Si:H с большой долей кристаллической фазы (более 70%)называютлибомикрокристаллическимкремнием(µc-Si:H),либонанокристаллическим кремнием (nc-Si:H). Поскольку в таком материале кристаллыкремния имеют все-таки нанометровый размер, то для определенности в дальнейшемнаномодифицированный аморфный кремний с большой долей кристаллической фазыбудем называть нанокристаллическим кремнием и пользоваться обозначением nc-Si:H.На основании данных, полученных с помощью использования различных методик,таких как: дифракция рентгеновских лучей (XRD) [43], просвечивающая электроннаямикроскопия (TEM) [44], атомно-силовая микроскопия (AFM) и рамановское рассеяние[45], сканирующая электронная микроскопия (SEM) [46] и эллипсометрия [19] былоустановлено, что в наиболее общем случае пленки nc-Si:H, получаемые путемразложениясмесимоносиланаиводорода,содержаткристаллическуюфазу(нанокристаллы кремния), аморфную фазу (a-Si:H) и поры.
Кристаллическая фазасформирована из нанокристаллов кристаллического кремния (c-Si), размером отнескольких единиц нанометров до нескольких десятков нанометров, которыеобъединяются в колонны, располагающиеся перпендикулярно поверхности пленки иимеющие диаметр от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров [47].
Междуколоннами находятся поры и аморфный кремний (рис. 1.2).22Рис. 1.2. Схематичное изображение структуры пленки nc-Si:H [47].Согласно работам [17,45,48,49] соотношение аморфной и кристаллической фазыможет изменяться по толщине пленки. Исследования, проведенные авторами данныхработ, показали, что изучаемые ими пленки наномодифицированного аморфногокремния обладали многослойной структурой. Ближайший к поверхности подложкитонкий слой, толщиной несколько нанометров, представлял собой a-Si:H. Следующийслой пленки в несколько десятков нанометров содержал аморфный кремний с малой(порядка 10 %) долей кристаллической фазы. И, наконец, третий – верхний слой пленки– был сформирован в основном из нанокристаллов кремния и практически не содержаламорфной фазы (рис.
1.3).Рис. 1.3. Схематичное изображение изменения с толщиной (D) структуры пленки гидрогенизированногокремния, полученного методом плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси газов моносиланаи водорода [49]. По мере увеличения толщины пленки происходит переход структуры от аморфной кнанокристаллической.Переходная область от аморфной к нанокристаллической фазе состоит изизолированныхнанокристаллическихвключенийваморфнойматрице.Долякристаллической фазы здесь не превышает 15 %. Образцы наномодифицированного23аморфного кремния с такой малой долей кристаллической фазы в литературе называютлибо протокристаллическим кремнием (pc-Si:H) [50], либо полиморфным кремнием pmSi:H (о котором уже шла речь раньше) [16].
Различие между pc-Si:H и pm-Si:H весьмаусловно и в основном сводится к некоторым различиям в способе их получения. Дляопределенности, в дальнейшем будем использовать название протокристаллическийкремний и обозначение pc-Si:H.При переходе в режим, соответствующий напылению pc-Si:H, формируемая пленкапомимо молекул SiHx радикалов [51] состоит из макромолекул радикалов размерами до1 нм, кремниевых кластеров и кристаллитов размерами до 10 нм [16]. Переход в режимнапыления полиморфных слоев возможен либо при увеличении мощности разряда, либопри повышении давления в реакционной камере. При повышении мощности разрядавозникает эффект подавления поверхностной полимеризации [52], вызванный ионнойбомбардировкой из плазменного разряда. Данный эффект препятствует формированиюнаномодифицированной структуры пленки.
Поэтому наибольшее распространениеполучил метод осаждения pc-Si:H при высоких давлениях в реакционной камере [16,53].Помимо доли водорода в газовой смеси, на структуру, а, следовательно, и свойствапленокnc-Si/a-Si:H,получаемыхметодомPECVD,оказываютвлияниетакиетехнологические параметры как температура подложки в процессе осаждения пленки ичастота возбуждения плазмы тлеющего разряда [54-57]. Согласно [54], размерынанокристаллов монотонно возрастают с увеличением температуры подложки впроцессе осаждения пленки. Доля кристаллической фазы меняется немонотонно сростом Ts и достигает максимального значения при некоторой температуре подложки,составляющейкремниядлянелегированныхпримернонаномодифицированный350-400оСаморфныйпленок наномодифицированного[54].Авторыкремнийр-типаработыаморфного[35],(легированныйисследуябором),обнаружили, что Xc достигает максимального значения при Ts∼180 оС, что значительноменьше, чем для нелегированных пленок.
Согласно работам [55,56], с повышениемчастоты возбуждения плазмы тлеющего разряда от стандартных 13.56 МГц до 120 МГц,увеличиваются скорость роста пленки, доля кристаллической фазы и размернанокристаллов. В работе [58] показано, что скорость роста пленки зависит также и отмощности тлеющего разряда. С повышением мощности разряда скорость роста пленкисначала увеличивается, затем выходит на насыщение, после чего начинает уменьшаться.24Нарис.1.4представленосхематическоеизображениеструктурыгидрогенизированного кремния в зависимости от соотношения концентрации газов R вреакционной камере метода PECVD [59]. Из рисунка видно, что при увеличении R долякристаллической фазы в структуре пленки увеличивается, достигая максимальныхзначений для пленок nc-Si:H.
При этом рост пленки всегда начинается с«инкубационного» слоя a-Si:H.(a+nc)-Si:Hnc-Si:Hpc-Si:HРис. 1.4. Схематическое изображение структуры пленок гидрогенизированного кремния в зависимостиот R. Штриховые и пунктирные линии отображают переходы от аморфной структуры к структуресмешанного фазового состава и от смешанного фазового состава пленки к микрокристаллическомусоставу, соответственно [59].Исследования спектров инфракрасного поглощения в пленках nc-Si/a-Si:Hпоказали, что атомы водорода связаны с атомами кремния в основном в дигидриднойконфигурации (SiH2) [60].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
