WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 2 Исследование образования и модификации нанокристаллических включений кремния в пленках a-Si : H методом просвечивающей электронной микроскопии © В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских, А.З. Казак-Казакевич, А.П. Сазанов, И.Н. Трапезникова¶, Е.И. Теруков Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197376 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 июня 2003 г. Принята к печати 30 июня 2003 г.) Методом просвечивающей электронной микроскопии исследовано образование и модификация включений нанокристаллической фазы (nc-Si) в тонких пленках a-Si : H, полученных тремя способами: плазмохимическим осаждением a-Si : H, циклическим плазмохимическим осаждением с промежуточным отжигом слоев толщиной 10–20 нм в водородной плазме и плазмохимическим осаждением a-Si : H с отжигом пленок толщиной 40 нм в водородной плазме. Показано, что размеры нанокристаллитов в пленках, полученных циклическим осаждением с промежуточным отжигом в водородной плазме, после термообработки при 750C в течение 30 мин не превышают толщины слоя, осажденного за цикл, в то время как в однородных пленках после термообработки в тех же условиях размеры кристаллитов достигают 1 мкм и более.

Предложены модели, объясняющие наблюдаемые эффекты, которые подтверждаются результатами расчетов диффузионных профилей водорода в пленке a-Si : H после ее отжига в водородной плазме и термообработки в вакууме.

1. Введение В [4,9] нами было продемонстрировано успешное применение циклического метода получения пленок Пленки аморфного гидрогенизированного кремния a-Si : H nc-Si, обладающих повышенной фоточувстви(a-Si : H), содержащие включения нанокристаллической тельностью и стабильностью. Метод представляет собой фазы (nc-Si), в последнее время привлекают пристальпериодическое чередование циклов осаждения тонких ное внимание исследователей [1–6]. Это связано с тем, слоев a-Si : H и их отжига в водородной плазме. Струкчто пленки a-Si : H nc-Si обладают большей фоточувтурные исследования таких пленок методом просвечиваствительностью и стабильностью по сравнению с одноющей электронной микроскопии (ПЭМ) показали, что родными гидрогенизированными пленками [1–4]. Предони обладают четко выраженной слоистой структурой, полагается, что нанокристаллические включения частичшаг которой соответствует толщине слоя, осаждаемого но снимают механические напряжения в аморфной матза один цикл (темные области на микрофотографии рице, тем самым создают возможность формирования сечения пленки, рис. 1). Светлые полосы соответствуют менее напряженной сетки с меньшей концентрацией областям a-Si : H, которые возникают в процессе отжига слабых связей, которая менее подвержена деградации.

Большой интерес к пленкам, содержащим нанокристаллические включения, обусловлен также возможностью создания на их основе эффективных излучателей в видимой области спектра [5–6]. Однако механизмы влияния размеров и объемной доли нанокристаллических включений на стабильность и фотоэлектрические свойства, а также люминесценцию пленок до сих пор остаются не ясными. На сегодняшний день процессы зарождения и роста нанокристаллитов в аморфных пленках a-Si : H плохо изучены, что не позволяет управлять размером и объемной долей нанокристаллических включений и таким образом оптимизировать структуру и свойства пленок a-Si : H nc-Si для различных применений. Это связано с тем, что теоретическая разработка проблемы формирования нанокристаллитов в аморфной матрице находится в зачаточном состоянии [7,8], а технология получения нанокристаллического кремния опирается на экспериментальные результаты, зависящие от используемого оборудования.

Рис. 1. Микрофотография ПЭМ сечения пленки a-Si : H, ¶ E-mail: trapez@mail.ioffe.ru полученной методом циклического осаждения.

Исследование образования и модификации нанокристаллических включений кремния в пленках... в водородной плазме, и характеризуются более высокой ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 100 кВ. Пленки концентрацией водорода. Эти области также содержат осаждались на монокристаллический NaCl, затем перекристаллические включения кремния со средним разме- носились на медную сеточку в дистиллированной воде.

ром 4.5 нм и объемной долей менее 1% [9]. На основании Пленки a-Si : H nc-Si на сетках отжигались в вакууме анализа экспериментальных данных была предложена при температурах 450 и 750Cв течение 30 мин.

модель, согласно которой в течение одного цикла за время отжига в водородной плазме водород диффундирует 3. Результаты исследований на глубину, меньшую, чем толщина слоя, осаждаемого за предыдущий цикл. Чередование процессов осаждения и обсуждение и отжига приводит к неравномерному распределению водорода и, следовательно, к изменению ширины запре- Результаты структурных исследований пленок кремщенной зоны (Eg) по толщине пленки. Поэтому пленки ния непосредственно после осаждения в режимах 1–a-Si : H обладают варизонной структурой с чередованием сводятся к следующему. Пленки, полученные в режислоев, обогащенных водородом с большей Eg, и слоев, ме 1, были однофазными и аморфными (рис. 2, a).

обедненных водородом с меньшей шириной запрещен- Слоистые пленки (режим 2) содержали малую объемной зоны.

ную долю (менее 1%) нанокристаллических включений В данной работе методом ПЭМ проводились исследо- размером 10 нм (рис. 2, b). Пленки, полученные в реживания образования включений nc-Si в пленках a-Si : H, ме 3, содержали nc-Si с размером кристаллитов 4-5нм, полученных плазмохимическим осаждением, цикличе- объемная доля которых составляла несколько процентов ским осаждением с промежуточным отжигом слоев (рис. 2, c). Для всех пленок электронные дифрактограмтолщиной 10–25 нм и отжигом пленок толщиной 40 нм мы были одного вида (рис.2, d), что свидетельствует о в водородной плазме, а также модификации струкпреобладающей доле аморфной фазы в пленках и малых туры пленок в результате последующей термической (не более 10 нм) размерах кристаллитов.

обработки.

Для подтверждения предложенной модели неравномерного распределения водорода по толщине слоистой пленки (режим 2) был произведен теоретический расчет 2. Получение образцов и методы концентрационного профиля водорода в пленках a-Si : H исследования после их отжига в водородной плазме в условиях циклического нанесения (250C в течение 30 с). При Циклическое нанесение пленок a-Si : H на NaClрасчете диффузии водорода использовались эксперименподложки, закрепленные на вращающемся барабанетальные данные о коэффициенте диффузии из плазмы и подложкодержателе, осуществлялось методом плазмотвердого источника, полученные в [12,13]. Из расчетного химического осаждения (ПХО) в диодной ВЧ системе профиля распределения (рис. 3) видно, что за время (13.56 МГц) при температуре подложек 250C, мощности ВЧ разряда 40 Вт, скорости вращения барабанаподложкодержателя 4 об/мин и давлении газовой смеси (80%Ar + 20%SiH4) — 25 Па. Обоснование выбора использованного режима осаждения и особенности получения пленок a-Si : H на вакуумной установке „Конт“ приведены в [10,11]. Отжиг слоев в водородсодержащей плазме проходил при той же температуре (250C), мощности ВЧ разряда 150 Вт и давлении газовой смеси (80%Ar + 20%H2) —25 Па.

Исследования проводились на разных пленках, полученных в трех режимах:

1) пленки, полученные в непрерывном режиме ПХО в течение 6 мин толщиной примерно 40 нм (без отжига слоев в водородсодержащей плазме);

2) слоистые пленки, полученные методом циклического осаждения (ПХО каждого из трех слоев толщиной 12 нм–2 мин, отжиг каждого слоя в водородсодержащей плазме — 3 мин) [2];

3) пленки толщиной 40 нм, осажденные в непрерывном режиме ПХО в течение 6 минут и отожженные в водородной плазме в течение 12 мин.

Исследование структуры пленок кремния произвоРис. 2. Микрофотографии ПЭМ для пленок a-Si : H, полудилось методом просвечивающей электронной микро- ченных в режимах 1 (a), 2 (b) и 3 (c), также и электронная скопии и микродифракции на электронном микроскопе дифрактограмма для этих пленок (d).

7 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 228 В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских, А.З. Казак-Казакевич, А.П. Сазанов, И.Н. Трапезникова...

в слоистых пленках рост нанокристаллов сдерживается интерфейсами с повышенным содержанием водорода между слоями.

Такой подход нашел экспериментальное подтверждение. После отжига при 450C в пленках 1 образуются нанокристаллиты с размером 10–20 нм, занимающие объем в несколько процентов (рис. 5, a); в пленках (рис. 5, b) увеличивается как количество кристаллитов (до 10% объема), так и их размер (до 10–15 нм); в пленках 3 (рис. 5, c) также наблюдается увеличение размера nc-Si до 10–15 нм.

Дальнейшее увеличение температуры термообработки в вакууме показало, что после термообработки в Рис. 3. Профиль распределения концентрации водорода в пленке a-Si : H от поверхности после ее отжига в водородной плазме: Ed = 0.5эВ, D0 = 4 · 10-11 см2с-1, t = 30 с, T = 250C.

Рис. 4. Профиль перераспределения концентрации водорода, находящегося в сильных связях с кремнием, после отжига Рис. 5. Микрофотографии ПЭМ для пленок a-Si : H, полученв условиях осаждения (1) и после термообработки (2) при ных в режимах 1 (a), 2 (b), 3 (c), после их термообработки 450C в течение часа (Ed = 1.9эВ, D0 = 10-4 см2с-1).

при 450C в вакууме и электронная дифрактограмма для этих же пленок (d).

отжига в плазме водород успевает продиффундировать на толщину порядка 3 нм, что много меньше толщины слоя, осаждаемого за цикл.

Для оценки изменения распределения водорода по толщине пленки в процессе роста пленки и после термообработки в вакууме был проведен расчет диффузии водорода из конечного твердого источника без учета эффузии. На рис. 4 представлены расчетные профили распределения водорода до отжига и после термообработки в вакууме в течение 5 ч при 250C и в течение 1 ч при 450C. Результаты расчета показали, что после отжига в течение 5 ч при 250C (т. е. в условиях осаждения) начальное распределение водорода практически полностью сохраняется. После отжига в течение 1 ч при 450C происходит частичное размытие концентрации водорода, однако неоднородность распределения водорода, находящегося в сильной связи с кремнием, по толщине пленки a-Si : H, по-прежнему сохраняется.

Рис. 6. Микрофотографии ПЭМ для пленок a-Si : H, полуМожно предположить, что при отжиге в вакууме обраченных в режимах 1 (a) и 2 (b), после их термообработки зование и рост нанокристаллитов в однородной пленке в вакууме при 750C и электронные дифрактограммы для этих a-Si : H происходит более эффективно, в то время как же пленок (c, d).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Исследование образования и модификации нанокристаллических включений кремния в пленках... вакууме при 750C пленки кремния, полученные в Список литературы режимах 1 и 2, характеризуются совершенно различной [1] C. Longeaud, J.P. Kleider, P. Roca i Cabarrocas, S. Hamma, структурой (рис. 6). Пленка, полученная в результате R. Meaudre, M. Meaudre. J. Non-Cryst. Sol., 227–230, непрерывного плазмохимического осаждения, имеет по(1998).

ликристаллическую структуру и состоит из достаточ[2] В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских, О.И. Коньков, М.М. Кано крупных (1мкм и более) кристаллитов (рис. 6, a).

занин, К.В. Коугия, А.П. Сазанов, И.Н. Трапезникова, Из анализа электронных дифрактограмм следует, что Е.И. Теруков. ФТП, 34, 495 (2000).

в поликристаллических пленках кремния преобладают [3] И.А. Курова, Н.А. Ормонт, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникокристаллиты с ориентацией [111] по нормали к поверхва, В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских. ФТП, 35, 367 (2001).

ности. В то же время пленка, полученная с применением [4] В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских, В.Н. Неведомский, промежуточного отжига в водородной плазме, содержит А.П. Сазанов, А.А. Ситникова, И.Н. Трапезникова, Е.И. Текристаллиты, типичные размеры которых составляют руков. ФТП, 36, 238 (2002).

[5] X.-N. Liu, S. Njng, L.-C. Wang, G.-X. Chen, X.-M. Bao. J.

10–15 нм (рис. 6, b). Доля кристаллической фазы после Appl. Phys., 78, 6193 (1995).

термообработки при 750C и в том и в другом случае [6] T. Toyama, Y. Kotani, A. Shimode, H. Okamoto. Mater. Res.

достигает практически 100%.

Soc. Proc., 557, 469 (1999).

Таким образом, в слоистых пленках после их тер[7] T. Itoh, K. Yamamoto, K. Ushikoshi, S. Nonomura, S. Nitta. J.

мообработки в вакууме при 750C средний размер Non-Cryst. Sol., 266–269, 201 (2000).

кристаллитов не превышает толщину слоя, осаждаемого [8] Y. He, C. Yin, G. Cheng, L. Wang, X. Liu. J. Appl. Phys., 75, за цикл. Это создает принципиально новые возможно797 (1994).

сти управления размером и долей нанокристаллических [9] V.P. Afanasjev, A.S. Gudovskikh, J.P. Kleider, A.P. Sazanov, включений кремния, которая может быть использована E.I. Terukov J. Non-Cryst. Sol., 299–302, 1070 (2002).

для создания люминесцентных пленок. [10] В.П. Афанасьев, А.А. Лянгузов, А.П. Сазанов. Петербургский журн. электрон., № 2, 7 (1995).

[11] В.П. Афанасьев, А.С. Гудовских, А.П. Сазанов, Я.В. Сонг, 4. Заключение Ю.М. Таиров. Матер. электрон. техн., № 4, 29 (1999).

[12] P.V. Santos, W.B. Jackson. Phys. Rev. B, 46, 4595 (1992).

1. Отжиг в водородной плазме инициирует появление [13] W.B. Jackson, C.C. Tsai. Phys. Rev. B, 45, 6564 (1992).

нанокристаллических включений в пленках a-Si : H, разРедактор Л.В. Беляков мер и плотность которых зависит от условий формирования пленок. Циклическое осаждение пленок приводит A study occurrence and modification of Si к неравномерному распределению водорода по толщине nanocrystalline inclusions in a-Si : H films пленки и создает более благоприятные условия для роста нанокристаллитов.

V.P. Afanasiev, A.S. Gudovskikh, 2. Расчет диффузии водорода в пленках a-Si : H покаA.Z. Kazak-Kazakevich, A.P. Sazanov, зал, что после термообработки при температуре 450C I.N. Trapeznikova, E.I. Terukov в вакууме происходит только частичное размытие слоSt. Petersburg State Electrotechnical University, истой структуры в пленках a-Si : H, однако неоднород197376 St. Petersburg, Russia ность распределения водорода в них сохраняется. Рост Ioffe Physicotechnical Institute, кристаллитов в слоистых пленках после их термообраRussian Academy of Sciences, ботки в вакууме при 750C ограничен интерфейсами 194021 St. Petersburg, Russia с повышенным содержанием водорода и их средний размер не превышает толщину слоев, осаждаемых за

Abstract

The creation and modification of nanocrystalline phase цикл.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.