1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Осаждение гидрогенизированного аморфного кремния Электронные свойства аморфных полупроводников в значитслыюй степени зависят от метода их получения. Так, например, процесс переноса носителей заряда в аморфном кремнии, осаждаемом посредством вакуумного испарения, и оптические свойства этого материала полностью определяются влиянием структурных дефектов, при наличии которых образуются состояния, локализованные в диапазоне энергий, соответствуюпдем ьцели для подвижности. Поскольку в первых экспериментах по осаждению пленок аморфного кремния с помошью вакуумного испарения и ионного распыления получаемые образцы всегда содержали большое количество дефектов, сложилось мнение, что возможность легирования пленок аморфных полупроводников отсутствует.
Основанием для такого вывода послужили экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что в аморфном кремнии, создаваемом традиционными методами, в частности вакуумным испарением, высокая концентрация дефектов (ненасыцьенных связей) обусловливает настолько большую плотность локализованных состояний (-10ео см '), что уровень Ферми занимает строго фиксированное и стабильное положение. Поэтому можно предположить, что именно водород, присутствующий в пленках а-5|: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, существенным образом изменяет их свойства. Несколькими исследователями (54, 55) было установлено, что при введении в аморфный германий металлических примесей в концентрации, достигаюгцей 40 о/о т>, свободные химиче- и Здесь и а дальнейшем речь идет об атомном содержании примеси.— Прим.
перев. зоо Глава 6 ские связи насыщаются. Такую же роль играют атомы Н, которые проникают в пленки, выращиваемые в водородсодержащей атмосфере. В результате компенсации ненасьпценных связей водородом концентрация дефектов [60] и величина прыжковой проводимости [61] значительно уменьшаются, фотопроводимость [32] и интенсивность фотолюминесценции [ЗЗ, 62] увеличиваются, а край оптического поглощения смещается в область более высоких энергий [63].
В ряде работ [28, 56 — 59] показано, что в пленках а-81: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, концентрация водорода обычно составляет 5...50 а7а, поэтому гидрогенизированный аморфный кремний по существу является сплавом. В последние годы некоторыми авторами [6, 14] исследована возможность использования в фотоэлектрических преобразователях аморфного сплава кремния с фтором и водородом [а-81: Р: Н). Введение в аморфный кремний атомов Н и Г обеспечивает относительно низкие значения плотности состояний в запрещенной зоне [менее 10" см з), что облегчает легирование материала как донорными, так и акцепторнымп примесями.
Атомарный водород удается также внедрять в пленки аморфного кремния в процессе их осаждения, осуществляемого с помощью высокочастотного ионного распыления [24, 64] и пиролиза [38]. Фотоэффект был обнаружен в структурах, изготовленных на основе пленок, нанесенных посредством высокочастотного ионного распыления [65]. Важная роль водорода в снижении плотности локализованных состояний в полупроводниках с тетраэдрическим расположением атомов была выявлена при изучении аморфных пленок, создаваемых методом ионного распыления [66].
Пленки аморфного кремния получают также с помощью вакуумного испарения [67], ионного осаждения [68], нанесения в дуговом и коронном разрядах [23], магнстронного ионного распыления [40] и ионной имплантации [40]. Пленки а-81: Н обладают высокой фотопроводимостью и большим удельным сопротивлением и при легировании могут приобретать проводимость как р-, так и п-типов. Эти свойства пленок не только полезны, но и необходимы для создания солнечных элементов с хорошими фотоэлектрическими характеристиками.
Для изготовления приборов в наибольшей степени подходят пленки, осаждаемые в тлеющем разряде, возбуждаемом в силане. Получаемые на их основе солнечные элементы имеют КПД 5...1О Ъ [14, 37 — 39]. Элементы, создаваемыес помощью высокочастотного ионного распыления, обладают худшими характеристиками, однако в силу ряда особенностей процесса распыления его можно признать перспективным для приготовления тонких пленок. Рассмотрим . кратко условия осаждения а-81: Н в тлеющем разряде и в системах для высокочастотного ионного распыления. Солнечные элементы на основе аморфного кремния 301 6.3.! Осажденне в тлеющем разряде В наиболее ранних работах возбуждение безэлектродного тлеющего разряда осуществлялось с помощью внешнего витка [1].
Рабочая частота обычно составляла 0,5...13,5 МГц, а давление силана 51Н4 — 10...270 Па. При скорости потока газа (в стандартных условиях) 0,2...5,0 см'/мин пленки осаждались со скоростью 10... 100 нм/мин. Однако из-за небольших размеров разрядной камеры они были неоднородны.
Пленки более высокого качества наносят в системах с высокочастотным тлеющим разрядом, возбуждаемым с помощью конденсатора [69]. В этом случае на плоскопараллельные электроды, находящиеся внутри разрядной камеры, подается переменное напряжение частотой 13,5 МГц. При давлении 0,7 ... 33 Па и скорости потока силана (в стандартных условиях) 10...
30 см'/мин скорость осаждения пленок составляет около 50 нм/мин. Если к электродам дополнительно приложить постоянное напряжение смещения, то пленки, образующиеся на аноде и катоде, могут обладать различными свойствами [70]. В тлеющем разряде постоянного тока, возбуждаемом в силане при давлении -130 Па, при вариациях плотности катод- ного тока в пределах 0,2... 2,0 мА/см' скорость осаждения пленки на подложке, служащей катодом, может изменяться от 0,1 до 1 мкм/мин. При использовании в качестве подложки анода скорость осаждения уменьшается примерно на порядок величины. Пленки а-Ь1; Н, получаемые на подложках, нагретых до температуры 200...400 С, как правило, имеют хорошие электронные свойства. Следует отметить, что низкое давление газа способствует однородному осаждению гидрогенизированного аморфного кремния на всех участках подложки [37 — 39].
При высоком давлении газа создаются благоприятные условия для полимеризации и образуются тусклые, сильно рассеивающие свет пленки а-Ь1: Н, в которых в виде включений содержатся захваченные из паровой фазы кластеры дисилана 51,Нв и трисилана 51эНа [27].
Исследование свойств пленок показывает, что их качество в значительной степени определяется температурой подложки и мощностью разряда. Влияние других параметров процесса осаждения, таких как расположение подложки, форма реакционной камеры, давление и скорость потока газа, изучено недостаточно глубоко. Имеются данные о том, что при загрязнении исходного газа водородом или азотом характеристики приборов ухудшаются[39]. 302 Глава Б 6.3.2 Высокочастотное ионное распыление К преимуществам метода ионного распыления относятся: возможность осаждения а-51; Н при отсутствии токсичных газов, более точный контроль условий конденсации и меньшая степень загрязнения пленок кислородом и азотом.
Гидрогенизироваиный аморфный кремний осаждают, распыляя кремниевую мишень в водородсодержащей атмосфере. Для получения собственно а-81: Н используют мишень из не- легированного кремния, а при нанесении пленок а-51: Н п- или р-типов проводимости источником вещества служит кремний, легированный фосфором или бором. Легирование пленок можно также осуществлять посредством введения в систему (в процессе распыления) гидридов фосфора или бора. Андерсон и др. [32, 60 — 63] подробно исследовали свойства пленок а-81: Н, создаваемых методом высокочастотного ионного распыления, и определили оптимальные значения двух параметров процесса осаждения; температуры подложки ( -200 'С) н парциального давления водорода (-0,7 Па).
Однако, как показали измерения фотопроводимости. и интенсивности люминесценции, даже при оптимальных условиях нанесения пленок плотность состояний в запрещенной зоне не снижается до уровня, свойственного пленкам а-%: Н, вырашиваемым в тлеющем разряде. Вследствие этого приборы на основе гидрогенизированного аморфного кремния, получаемого с помощью ионного распыления, имеют худшие характеристики. Высокая плотность локализованных состояний в аморфном кремнии, осаждаемом методом ионного распыления, вероятно, связана с наличием дефектов, образующихся при соударении с растущей пленкой быстрых атомов кремния [22], которые приобретают высокую энергию вследствие низкого давления газа (обычно равного -0,7 Па), сильного ускоряющего напряжения ( — 1,5 кВ) и большой удельной мощности (-1,6 Вт/смв) высокочастотного разряда (отметим для сравнения, что тлеющий разряд в силане возбуждается при напряжении 650...800 В).
Таким образом, помимо снижения плотности локализованных состояний посредством гидрогенизации необходимы дополнительные меры для устранения дефектов указанного типа. С целью максимально полного насыщения свободных связей Песлер н др. [71] вводили большее количество компенсирующих примесных атомов. Другой способ [72] уменьшения концентрации дефектов, появляющихся в результате соударения атомов кремния с вырашиваемой пленкой, успешно применявшийся несколькими авторами [22, 24, 72], связан с увеличением парциального давления аргона (примерно до 4 Па) при нанесении а-51: Н. В этом случае образуются пленки более высокого качества, сравнимые по свойст- Солнечные элементы на основе амер|оного кремния 303 вам (фотопроводимости, фотолюминесценции, оптическим характеристикам и параметрам процесса переноса носителей заряда) с пленками а-5|: Н, получаемыми в тлеющем разряде.
Что же касается механизма устранения дефектов в данных пленках, то по этому вопросу существуют различные мнения. 6.3.3 Пиролиз силана При осуществлении пиролиза силана температура реакции и давление в камере выбираются с учетом физического состояния исходного вещества (газообразная или твердая фаза). В процессе осаждения состав пленки непрерывно изменяется: по мере увеличения ее толщины концентрация водорода уменьшается. В начальный период роста пленки ее состав описывается эмпирической формулой ЯН|ь а на более поздних стадиях реакции образуется слой а-5(: Н. 6.3.4 Кинетика процесса осаждения в тлеющем разряде Изучению кинетики осаждения а-Я: Н в тлеющем разряде, или химических аспектов этого процесса, посвящено немного работ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
