1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 65
Текст из файла (страница 65)
С помощью масс-спектрального анализа установлено, что в плазме ЯН4 в довольно большом количестве содержатся дигидриды (ЯН,4) и тригидриды (5(Нэ4) кремния, концентрация же высших силапов (Я|„Нв, х>2) меняется в зависимости от условий осаждения. Вопрос о влиянии состава плазмы на качество пленок а-Ь|: Н остается дискуссионным, тем не менее исследование гидрогенизированного аморфного кремния, получаемого в различных условиях, показывает, что наличие в плазме моногидрида кремния (5)Н ') благоприятно сказывается на его свойствах.
Пленки, выращиваемые при температуре менее 200 'С, содержат включения дигидрида и, возможно, тригидрида кремния и не обладают требуемыми электронными свойствами, тогда как в пленках, получаемых на подложках, нагретых до температуры выше 200 'С, и по своим свойствам пригодных для изготовления солнечных элементов, присутствует лшпь моногидрид кремния (56, 75, 76]. При температуре подложки, близкой к комнатной, в пленках, по-видимому, образуются включения полисиланов.
Бауэр и Билгер (231 измерили параметры плазмы методами эмиссионной спектроскопии и масс- спектроскопии, а также с помощью электрического зонда и установили, что оптимальная концентрация частиц различного вида зависит от нескольких параметров процесса осаждения. Авторы разработали методы контролируемого изменения параметров плазмы, существенно влияющих на свойства а-Я: Н, что позволило получать пленки с воспроизводимыми характе- Глава б ЗОД Рис.
6.2. Зависимости концентрации С кремния 61 и моногидрида кремния 8!Н от напряжения )г на электродах в системе для высокочастотного ионного распыления (а) и от плотности тока з тлеющего разряда в системе для плазменного осаждения (б) (23). а) состав газа — Аг + Нз (1О %), давление — 1 Па; б) состав газа — Аг + 6)Нз (1 %), давление — 3,6 Па. ристиками, и изучили параметры плазмы в различных газовых разрядах, применяемых для нанесения пленок а-51: Н. Этп данные суммированы в табл. 6.1, а на рис. 6.2 представлены зависимости относительной концентрации $1 и 5)Н, присутствующих в системах для высокочастотного ионного распыления и плазменного осаждения, соответственно от напряжения на электродах и плотности тока разряда.
Недавно с помощью высокочастотного магнетронного распыления (в системе с плоским катодом) 1132~ на подлогкках, имеющих комнатную темпе- Таблица б.!. Параметры плазмы Теыпсрзтурз газа, Концентрация злеятричесии зейтрзльвыя частиц, си — ' Метод осаждения или вид разряда Состав нейтрального газа Гозз Кйз Высокочастотное ионное распыление Н (+ инертный газ) !озз...
!озз 61Н+Н (+ инертный газ) Тлеющий разряд постоянного тока 10'з... 10'з 6!Нз+ Н, (+ инертный газ) Коронный разряд 10зз 10гз Луговой разряд Н. (-1- инертный газ) хо й й О,б Д Й 0,2 Е Оз !л О,б 0,2 Е \,2 2,0 ОР 0,2 О,З 0,4 У, иб г, мд,'смз ц б 300 (тепловое равно- весие отсут- ствует) (3000 (тепловое равно- весие отсут- ствует) 300 (тепловое равно- весие отсут- ствует) 3000 ... 6000 (локальное тепловое равно- весие) Солнечные элементы на основе аморфного кремния ЗОэ ратуру, были выращены пленки а-31: Н, сравнимые по свойствам с пленками, осаждаемыми в тлеющем разряде или получаемыми методом высокочастотного ионного распыления на нагретых подложках.
6.3.5 Влияние подложки в различных газовых разрядах !23! ! Материал катода Энергия электровоз, эв Процесс, протекающая иа «атоде Степень иоииэации (10 — ' !О 51 Распыление ионами вы- соких энергий <1О 2...6 Ионное распыление (скорость распыления зависит от плотности тока) <~О- Катод не применяется вследствие эрозии 6...8 - 1О 51 Термическое испаре- ние Подложки из таких материалов, как Сг, Т1, Ч, !х)Ь, Та и Мо, не оказывают существенного влияния на свойства пленок гндрогенизированного аморфного кремния, поскольку при температурах до 400 'С коэффициент диффузии этих металлов в а-31: Н, как показали исследования методом оже-спектроскопии, очень мал !коэффициент диффузии молибдена при температуре 450 'С не превышает 10 — 'а смз/с). Подложки из железа и алюминия можно применять при температурах ниже 300 'С; при температуре около 400 'С коэффициент диффузии ге и А! составляет 2 ° 10 "...3 10-" см'/с.
При использовании алюминиевых подложек наличие оксидного слоя приводит к неконтролируемому изменению контактного сопротивления и способствует формированию силнцида. Некоторые металлы образуют силициды даже при низких температурах. В случае применения подложек из золота и меди происходит взаимная диффузия металла и вещества пленки. Подложки из серебра нельзя использовать из-за слабой адгезии пленок а-31: Н, Стекла, содержащие щелочные металлы, могут служить источниками легирующей примеси (в а-31: Н атомы этих металлов Глава 6 306 образуют донорные уровни). При осаждении пленок на под.тожкя из плавленого кварца возможность их загрязнения таким способом исключена. Во всех случаях, и особенно при употреблении металличеоких подложек, непосредственно перед нанесением а-81: Н желательно провести их очистку с помощью химического или ионного травления.
6.4 Свойства пленок гидрогенизированного аморфного кремния Свойства пленок а-81: Н в значительной мере зависят от метода осаждения и условий роста. В данном разделе речь пойдет о структурных, электронных и оптических свойствах, а также о составе пленок а-Ь1: Н, получаемых различными методами. б.4.1 Структурные свойства Предложенная Полком и др. [77) идеализированная модель. структуры чистого аморфного кремния представляет собой случайную сетку атомов. Для аморфного кремния (как и для кристаллического) характерно тетраэдрическое расположение атомов, однако размеры областей с упорядоченной структурой сравнимы с межатомными расстояниями.
Исследуя аморфный кремний методом электронографии, Варна и др. [78[ установили, что при насыщении его водородом радиальная функция распределения атомов не претерпевает значительных изменении. Лишь в случае рассмотрения пленок а-о): Н, осаждаемых в тлеющем разряде, появляется дополнительный пик функции распределения, расположенный на расстоянии г=0,5 нм от атома, принятого за начало отсчета.
Наличие этого пика, соответствующего значению угла между связями, равному 45', позволило сделать вывод о том, что пленки а-81; Н, выращиваемые в тлеющем разряде, обладают более совершенным ближним порядком структуры, чем пленки аморфного кремния, создаваемые методом вакуумного испарения.
Аналогичные результаты получены Моссери и др. [13[. Изучая пленки а-БП Н, нанесенные в тлеющем разряде, авторы наблюдали пик радиальной функции распределения при г=0,49 нм (соответствующий значениям углов между связями 35... 45'), появление которого можно объяснить образованием вблизи связей 81 — Н колец, содержащих не менее семи атомов кремния. Согласно данным этих авторов, в пленках а-51: Н при концентрации водорода 33 а/а координационное число составляет 3,5, тогда как в чистом аморфном кремнии оно равно четырем.
Найтс и др. [79 — 87), исследуя влияние условий осаждения а-51: Н, в тлеющем разряде на структуру и состав вещества, Солнечные элементы на основе аморфного кремния 307 Таблица 6.2. Изменение плотности гидрогенизированного аморфного кремния и концентрации солержашегося в нем водорода в зависимости от давления силана и температуры подложки в процессе осаждения [381 Отношение плотностей аси Н и кристаллического кремния давление снлана, Па Содержание водорода, н ..р образца температура подложии. 'С 25 18 14 ! 133 2 25 !З,З 3 250 !3,3 4 ~ 250 133 0,63 0,73 0,98 0,86 установили, что пленки аморфного кремния, приближающегося по своим свойствам к собственному полупроводнику, образованы столбиками диаметром около 1О нм, в которых могут содержаться точечные дефекты в виде молекул моногидрида кремния, замещающих атомы 81.
Столбики формируются на границе раздела пленки с подложкой, и их направление роста совпадает с направлением движения частиц пара к подложке. Между единичными столбиками образуются области с пониженной плотностью вещества, в состав которого, по-видимому, входят цепочки полисилана [81Нз)„и моногидрид кремния, насышающий свободные связи. В высококачественных пленках а-81: Н, применяемых для изготовления приборов, размеры областей с пониженной плотностью вещества малы, а водород присутствует в основном в виде моногидрида кремния.
Такие пленки слабо окисляются после осаждения, количество их структурных элементов размером -100 нм незначительно, и в то же время в пленках можно обнаружить столбики диаметром — 10 нм. Влияние микроструктуры на физические свойства пленок оказывается очень существенным. Особенности же микроструктуры определяются параметрами процесса осаждения. Вначения плотности вещества в пленках а-81: Н, представленные в табл. 6.2, показывают, насколько значительны вариации свойств гидрогенизированного аморфного кремния при изменении условий осаждения. Результаты анализа спектров комбинационного рассеяния света [88[ свидетельствуют о том, что легированные пленки а-81: Г: Н имеют структуру, близкую к поликрнсталлической.
Тем не менее их можно успешно использовать в качестве контактных слоев солнечных элементов. При осаждении чистого аморфного кремния с помощью ионного распыления [22, 63, 751, так же как и при получении а-81: Н в тлеющем разряде, образуются рыхлые пленки, в которых содержатся полости. Недавно установлено [89 — 91], что Глава 6 зоа аналогичной структурой обладают пленки а-51: Н, создаваемые методом ионного распыления. Наличие полостей, вероятно, связано с повреждением структуры, происходящим прн соударениях атомов осаждаемого вещества с растущей пленкой [24]. Пленки а-51: Н, выращиваемые методом ионного распыления, имеют такую же микроструктуру, как и пленки, получаемые в тлеющем разряде, и состоят из столбиков, вытянутых вдоль направления движения частиц пара к подложке.
В результате анизотропного травления а-Ь1: Н [осуществляемого таким же способом, как и при обработке чистого аморфного кремния [24]) на поверхности пленки образуется множество выступов столбчатой формы, удаленных друг от друга на расстояние порядка О,1...0,3 мкм.
Вследствие этого коэффициент отражения света уменьшается с 40 в!в (значение, характерное для пленки с плоской поверхностью, не подвергавшейся травлению) примерно до 3 Ъ. Легированные бором пленки аморфного кремния, создаваемые методом вакуумного испарения, непосредственно после осаждения содержат большое количество микрополостей и микрокристаллитов. 6.4.2 Состав пленок Концентрация водорода в пленках а-51; Н, получаемых в тлеющем разряде, в значительной степени зависит от условии осаждения и, согласно данным нескольцих исследователей, составляет 5... 50 в>в.
При повышении температуры подложки концентрация водорода, как правило, уменьшается [56, 75, 92]. В случае нанесения пленок в безэлектродном высокочастотном разряде содержание водорода возрастает при увеличении мощности разряда и понижается при повышении давления 5!Н,. В пленках а-51: В: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, концентрация фтора уменьшается при увеличении отношения концентраций 51Гв и Нт в газовой смеси [6], однако количество водорода в а-51: Н зависит от ряда других параметров процесса нанесения. Для изготовления солнечных элементов применяют пленки а-51: Н с концентрацией водорода 10... 15 ага [92].
На первый взгляд представляется, что для получения гидрогенпзированного аморфного кремния с хорошими электронными свойствами нет необходимости налагать какие-либо ограничения на величину концентрации водорода. Однако, как отмечалось ранее, пленки, содержащие водород в виде моногидрида кремния, оказываются' наиболее высококачественными, и на их основе могут быть изготовлены приборы с лучшими характеристиками. При внедрении водорода в аморфный кремний образуются компенсированные микрополости, такие, как моновакансии, со- Солнечные элементы на основе аморфного кремния 309 стоящие из четырех атомов водорода, или дивакансии, содержащие шесть атомов водорода. Они не служат источниками локализованных состояний в запрещенной зоне [93], а их размеры и концентрация существенно зависят от условий осаждения пленок. Измерения плотности а-5!: Н [94] показывают, 'что средний размер микрополостей немного больше размера дивакансии и что концентрация водорода определяется в основном количеством этих компенсированных микрополостей, Мессье и Цонг [24] изготовили пленки а-5Н Н, содержавшие преимущественно моногидрид кремния и незначительно окислявшиеся после осаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
