Физика/7.Оптика

Быков А.М., Лапаева С.Н., Быков М.А.

Таврический национальный университет, физический факультет, Украина, АР Крым, Симферополь, 95007, пр. Вернадского 4.

Исследование оптических характеристик тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния.

Аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H₂) в настоящее время используется для изготовления различных фоточувствительных приборов (сенсоры, фотодиоды, солнечные элементы и т.д.). Однако широкому применению этого материала препятствует довольно низкая стабильность его электронных свойств, вызванная релаксационными процессами [1-2]. Кроме того, преградой на пути промышленного изготовления приборов на основе a-Si:H₂ является низкая скорость напыления материала приборного качества. Увеличение скорости напыления ведет к возникновению микроструктурных неоднородностей, которые вызывают релаксацию структуры и ухудшение электронных свойств [2]. Однако роль микроструктурной неоднородности в настоящее время остается неоднозначной, хотя известно, что материал, полученный при оптимальных технических параметрах, содержит неоднородности микроструктуры (микропоры, колонны, кластерированный водород). Электрические и фотоэлектрические свойства также определяются методами и технологическими режимами их получения и зависят от последующих внешних воздействий на них. Например, высокотемпературный отжиг пленок аморфного кремния существенно изменяет свойства, в результате увеличивается эффективность, при легировании фосфором, эффузии водорода или образования кристаллитов. Однако технологические сложности получения дешевого и гибкого производства структур еще существенно тормозят объемы выпускаемой продукции. При этом основная трудность – оптимальное пассивирование кремниевой матрицы водородом. Для методов эпитаксиального роста и ионных методов распыления, этот вопрос проблематичен из-за сложности введения водорода в аморфную пленку кремния. Это связано с тем фактом, что в процессе распыления одиночные атомы кремния и многоатомные комплексы нейтральны, следовательно, слабо вступают во взаимодействие с молекулами водорода. В то время как при плазмохимическом методе разрушение молекулярного соединения SiH₄, приводит к перенасыщению плазмы комплексами Si-H, H-Si-H и их более сложными модификациями. Однако стоит заметить, что метод магнетронного распыления превосходит плазмохимический с точки зрения технологической стоимости, а именно стоимости реактивов, эксплуатации оборудования, технических условий, а использование ионного источника в камере, как новшества, позволяет повысить качество пленок, вследствие значительного улучшения гидрирования образцов, что подтверждается при рассмотрении спектральных и оптоэлектронных характеристик.

Анализ состояния проблемы позволил сделать вывод о том, что, разработка технологических приемов получения слоистых структур на основе аморфного гидрированного кремния в едином автоматизированном цикле, позволит получать дешевые оптоэлектронные приборы в большом количестве за относительно короткое время, используя при этом, серийное промышленное оборудование.

Для изменения состояния водорода в рабочей камере использовался ионный источник, с помощью которого была предпринята попытка управления степенью гидрирования аморфной пленки, в сочетании с варьированием концентрации водорода в плазме.

Подложки для напыления тонкопленочных структур выбирались из соображения стоимости и доступности для промышленных объемов. Условиями выбора типа материала подложек были дешевизна и способность выдерживать температуры порядка 250-350 ⁰С. При этом металлические, т.е. проводящие, подложки также играли роль токособирающего тыльного контакта, а диэлектрические подложки, обладая оптической прозрачностью, служили защитным экраном от внешних воздействий для тонких пленок.

Экспериментально уменьшить проводимость и увеличить энергию активации удалось, как введением водорода в камеру (кривые 1а, 1b, 1c), так и за счет использования ионного источника (кривая 1d). При этом прослеживается прямая зависимость роста энергий активации с увеличением концентрации водорода в камере (кривые 1a – 30% Н₂ в рабочей камере и 1b – 40%, 1d - 40% с использованием ионного источника). Для некоторых образцов энергия активации составила 0.20 – 0.25 эВ при концентрации водорода в плазме до 40%, хотя скорость роста пленок уменьшилась до 0,1 мкм/мин.

В работе показано, что использование магнетронного метода распыления в аргоново-водородной смеси газов при концентрации водорода 30% и 40% в сочетании с дополнительной ионизацией последнего позволяет формировать аморфные кремниевые пленки на стеклянных и ситалловых подложках, которые могут использоваться, например, в качестве активных слоев для солнечных элементов. Это подтверждается спектрами поглощения пленок. Исследованные температурные зависимости удельной проводимости пленок показывает её рост с увеличением температуры в пределах от 0,1·10^-7 S/см для стеклянных подложек до 1,2·10^-7 S/см для ситалловых подложек. Таким образом, установочные предположения возможности использования метода магнетронного распыления для получения аморфных полупроводниковых тонких пленок вполне реальны. Варьирование концентрации водорода в рабочей камере в комплексе со степенью его ионизации даёт возможность более целенаправленно гидрировать кремниевую пленку в процессе роста, что позволит гибко строить разнообразные оптические приемники.

Список литературы

1. K. S. Karim, A. Nathan, J. A. Rowlands Amorphous Silicon Active Pixel Sensor Readout Circuit for Digital Imaging/ IEEE transactions on electron devices, vol. 50, no. 1, January 2003 pp.200-208.

2. B. Rech, H. Wagner Potential of amorphous silicon for solar cells // Applied Physics A, Materials Science and Processing.-1999.-V69.- p.155-167.