a-Si:H sluoksnių gamyba karštos vielos metodu

866 0

Turinys

I. Įvadas.............................3

II. Literatūros apžvalga.......................4

1. Amorfiniai puslaidininkiai..................4

2. H – įtaka a-Si savybėms....................4

3. Dydžiai, apibūdinantys kokybines sluoksnių savybes........5

4. A-Si:H sluoksnių gamybos technologijos............6

4.1 Dulkinimo metodas.................7

4.2 Cheminio nusodinimo metodai.............7

4.2.1 Rusenantis išlydis...............7

4.2.2 Karštos vielos metodas.............9

5. A-Si:H formavimo įrenginiai.................11

Išvados..............................14

III. Literatūra...........................15

Įvadas

Puslaidininkinės amorfinės medžiagos šiuo metu plačiai naudojamos pramonėje,

tai ir fotojautrių sluoksnių kopijavimo aparatūroje gamybai, saulės elementams, plonasluoksniams tranzistoriams, naudojamiems skystų kristalų ekranuose, įvairiems vaizdo priėmėjams gaminti.

Viena iš platesnių amorfinių medžiagų pritaikymo sričių yra saulės elementų gamyba. Saulės elementas – tai fotoelektrinis prietaisas, skirtas saulės energiją paversti į elektrinę. Saulės elementų panaudojimas patrauklus tuo, kad tai yra praktiškai neišsenkantis ennergijos šaltinis.

Paskutiniu metu tiriami a-Si:H arba cSi:H, kurie gali patenkinti keliamus reikalavimus. Vandenilis įvedamas, kad išvalytų draustinių juostų tarpą nuo lokalinių būsenų, kurios blogina sluoksnių fotoelektrines savybes. Sluoksniai, suformuoti iš paminėtų medžiagų, pasižymi geromis fotoelektrinėmis savybėmis. Sluoksnių gamybos technologijų yra keletas, iš kurių šiuo metu perspektyviausia – panaudojant karštą vielą, kuri sąlygoja kokybiškesnių sluoksnių gavimą, supaprastina technologinę įrangą lyginant su kitais gamybos būdais. Pavyzdžiui, nereikia naudoti aukšto dažnio elektrinio lauko kaip rusenančio išlydžio metode.

Mano darbo tikslas – susipažinti su a-Si:H gamybos technologijomis, attkreipiant dėmesį į karštos vielos metodą, kuris mūsuose dar nenagrinėtas, bei, remiantis šiuo metodu, pagaminti a-Si:H sluoksnių pavyzdžių. Taip pat nustatyti technologinius parametrus, kuriems esant būtų gaunami geriausias elektrines savybes turintys sluoksniai.

Literatūros apžvalga

1. Amorfiniai puslaidininkiai

Amorfiniai kūnai skirtingai nei kristaliniai pasižymi tik artimąja tv

varka. Artimąja tvarka pasižyminčiuose kūnuose atomų simetrinis išdėstymas išlieka tik kelių tarpatominių atstumų ilgyje, kai tuo tarpu kristaliniuose kūnuose tolimoji tvarka pasireiškia periodiniu atomų išsidėstymu per 10 – 100 tarpatominių atstumų.

Amorfiniai puslaidininkiai nėra pagaminami iš lydalo. Paprastai jie gaunami plonų sluoksnių pavidalu. Pagamintas sluoksnis yra amorfinis tuomet, kai rentgenogramoje stebimi difuziniai žiedai, o ne Brego žiedai ar atskiros dėmės, charakteringi polikristaliniams ar monokristaliniams kietiems kūnams. Amorfinis kūnas virsta kristaliniu atsirandant jame gemalams (mikrokristalams).

2. H – įtaka a-Si savybėms

A-Si dėl netvarkios struktūros draudžiamų energijų juostos tarpe atsiranda lokalinės būsenos. Tiriant a-Si:H, pagamintą rusenančiame išlydyje, pastebėta, kad didėjant vandenilio kiekiui sluoksnyje, valentinės zonos viršus leidžiasi žemyn ir didėja draudžiamų energijų juostos tarpas. Tai yra todėl, kad įvesti H atomai užpildo Si-Si nutrauktus ryšius ir kadangi Si-H ryyšio energija didesnė nei Si-Si, tai susidarančios būsenos atsidurs valentinėje juostoje.

Pakaitinus a-Si:H plėveles iki daugiau nei 350oC temperatūros, vandenilis difunduoja iš medžiagos nutraukdamas ryšius su Si.

A-Si:H galima gauti iš gryno Si įmaišant į pastarąjį atominį H. Kadangi suskaldyti vandenilio molekules reikia labai daug energijos, atominis H nenaudojamas. Atominis vandenilis apie 500oC temperatūroje lengvai difunduoja į a-Si sluoksnį, nes H matmenys yra pakankamai maži. Teoriškai nustatyta, jog norint užpildyti visus laisvus ryšius, reikia įvesti apie 0.1% vandenilio. Tačiau eksperimentai parodė, jog paramagnetiniai centrai pilnai už

žpildomi įvedant apie 1% H. Tai yra daugiau nei apskaičiavus teoriškai. Iš to mes matome, kad nutraukti ryšiai užpildomi neefektyviai.

Praktiniam naudojimui gaminamuose a-Si:H sluoksniuose optimali vandenilio koncentracija yra apie 10%.

3. Dydžiai, apibūdinantys kokybines sluoksnių savybes

Pagrindiniai dydžiai apibūdinantys sluoksnių kokybines savybes būtų: laidumas (foto ir tamsinis), aktyvacijos energija, krūvininkų judrumas, gyvavimo trukmė ir defektų kiekis sluoksnyje. A-Si:H sluoksnių tamsinis laidumas labai jautrus vandenilio koncentracijai. Didinant H kiekį vyksta gilių defektinių būsenų kompensacija. Keičiasi dominuojantis krūvio pernešimo mechanizmas nuo šuolių per draustinės juostos lokalines būsenas prie pernešimo per delokalizuotas būsenas. Šio tipo laidumo atveju galioja Moto dėsnis:

Nežiūrint į gana nemažą sluoksnių, gautų netgi ta pačia aparatūra, parametrų išbarstymą, galima įžvelgti bendrus bruožus. Pavyzdžiui, didėjant H koncentracijai nuo 0 iki 20% laidumas gali sumažėti net šešiom eilėm. Taip pat buvo pastebėta, kad didelių H koncentracijų atveju sluoksniuose tarp 200 ir 400 K temperatūroje, laidumas yra grynai aktyvacinio pobūdžio su maža aktyvacijos energija. Sluoksnių laidumas jautrus ir kitiems augimo parametrams: padėklo T, bombardavimui, proceso metu besikeičiančiam padėklo potencialui. Fotolaidumas aprašomas:

čia G – generacijos greitis,  – krūvininkų gyvavimo trukmė,  – krūvininkų dreifinis judrumas, e – elektrono krūvis. Fotolaidumas priklauso nuo Fermi lygio padėties, nes šis nulemia, kur vyksta rekombinacija. Tiriant  priklausomybę nuo padėklo potencialo, buvo gautos kreivės, turinčios vieną maksimumą, tačiau, esant skirtingoms H koncentracijoms, ji

is buvo skirtingose vietose.

Iš  matavimų galime nustatyti defektų kiekį sluoksnyje. Netvarkių struktūrų draustinės juostos praktiškai užpildytos lokalinėmis būsenomis. Būsenos skirstomos į seklias ir gilias. Seklios yra tokios, tarp kurių ir laidumo juostos per krūvininko dreifo bandiniu trukmę gali nusistovėti termodinaminė pusiausvyra. Būtent seklių lygmenų koncentraciją lemia medžiagos netvarkumo laipsnis. Šie lygmenys ir sąlygoja krūvio pernešimo dispersiškumą, sumažina krūvininkų judrumą.

Krūvininko gyvavimo trukmė  galima sakyti tiesioginiai nusako defektų kiekį, nes ją lemia krūvio nešėjų pagavimas į medžiagos struktūrinius defektus, priemaišas esančias arti draustinės juostos vidurio.

4. A-Si:H sluoksnių gamybos technologijos

Mokslinėje spaudoje apžvelgiamų a-Si:H gamybos technologijų yra keletas, kurios yra nuolat tobulinamos, ieškoma optimaliausių sprendimų. Pagrindiniai metodai būtų šie: a) dulkinimo (plazminio ir magnetroninio),

b) garinant Si lazeriu ar elektroniniu spinduliu,

c) cheminio nusodinimo iš dujinės fazės (rusenančio išlydžio arba karštos

vielos).

A-Si:H sluoksniai gauti garinant Si iš kristalinio Si, jį veikiant lazerio arba elektronų spinduliu vandenilio atmosferoje, turi labai dideles lokalinių būsenų koncentracijas (1019 – 1021 cm-3eV-1) judrumo tarpe, kurios “pririša” Fermio lygį judrumo tarpo vidury. Tokių sluoksnių praktinis panaudojimas yra labai problematiškas.

Dažnai sluoksnių pagamintų skirtingais metodais savybės gerokai skiriasi, kadangi sluoksnio gamyba priklauso nuo daugelio parametrų, kuriuos lemia netgi konkretūs įrenginiai ir jų konstrukcijos. Tai reiškia, kad kiekvienai aparatūrai reikalingas optimalių parametrų rinkinys, kas labai apsunkina rezultatų pakartojimą kitose laboratorijose. Dabar sm

mulkiau panagrinėsime pagrindinius metodus.

4.1 Dulkinimo metodas

Ir plazminio ir magnetroninio dulkinimo metu laisvi Si atomai gaunami išdaužant juos iš kristalinio (c-Si) plokštelės, kurie po to nusėda ant padėklo. Sluoksniai hidrogenizuojami įmaišant į darbines dujas vandenilio. Plazminio dulkinimo atveju darbinėje kameroje uždegama argono plazma, kuri atlieka didelių energijų dalelių, šiuo atveju jonų, reikalingų išdaužti Si atomams, vaidmenį. Magnetroninio dulkinimo atveju, Si atomai išmušami elektromagnetiniame lauke įgreitintais elektronais. Šio metodo privalumas – galimybė gauti didelius sluoksnių augimo greičius.

4.2 Cheminio nusodinimo metodai

Šiuo atveju laisvi Si atomai ir SiHn (n = 1.2.3) radikalai gaunami skaldant silano (SiH4) ir bisilano (Si2H6) dujas. Pagal SiH4 temperatūrą skiriami keli būdai: šaltas ir karštas: rusenančiame išlydyje ir karštos vielos.

Gaminant šaltu gamybos būdu silanas maišomas su atominiu vandeniliu gaunamu skaldant H2 šalia darbinės kameros esančiame tūryje aukšto dažnio lauku arba termiškai, vyksta šalta reakcija, kurios metu gaunami molekulinis vandenilis ir +SiH3 frakcija, kuri ir sėda ant įkaitinto padėklo.

4.2.1 Rusenantis išlydis

Gaminti sluoksnius rusenančiame išlydyje galima dviejų tipų kamerose: induktyvinėse ir kondensatorinėse. Pastarosiose galima pagaminti didesnių matmenų sluoksnius. Čia, darbiniame tūryje, aukštu elektriniu arba magnetiniu lauku uždegama Ar plazma. Buvo bandyta gaminti sluoksnius vandenilio atmosferoje uždegtame rusenančiame išlydyje, bet naudojant šią technologiją gauti sluoksniai, kaip ir garinant lazerio arba elektronų spinduliu, turi labai dideles lokalinių būsenų koncentracijas. Todėl geriau tinka Ar plazma, į kurią pučiamos silano dujos , kur jos skyla į frakcijas. Skilimo produktai sėda ant padėklo, kurio tam tikra temperatūra yra palaikoma kaitinimo elemento. Skaldančio lauko galingumas gali būti 10 – 20 W, dažnis 1 100 MHz. Legiruoti sluoksniai gaunami įvedus fosforo arba boro hibridinius junginius. Jei norime gauti p – tipo laidumo sluoksnį įvedame borą, jei n – tipo – fosforą. Šis metodas iki šiol buvo plačiausiai naudojamas a-Si:H sluoksnių gamyboje, nors turi trūkumų. Pagrindinis iš jų – plazmos tiesioginė sąveika su padėklu, o to pasėkoje užauginami defektingi sluoksniai. Dabar smulkiau ir panagrinėsime tą sąveiką.

Procesai vykstantys ant padėklo labai sudėtingi ir sunkiai identifikuojami, o tuo labiau – kontroliuojami, kadangi juos įtakoja daugelis parametrų. Galima apytikriai nagrinėti tik paprasčiausią atvejį – diodinę sistemą, kai slėgis 5  10-3mm Hg stulpelio, Ar atomų, bombarduojančių padėklą, skaičius maždaug keturiomis eilėmis didesnis nei pasiekiančių padėklą Si atomų skaičius. Dauguma Ar atomų neįsiterpia į sluoksnį, bet išsklaido savo kinetinę ir potencinę energijas paviršiuje, kas labai stipriai gali veikti sluoksnio augimą bei gemalų susidarymą. Be Ar padėklą bombarduoja ir neutralūs atominiai kompleksai (H, H2, Si, SiH, SiH2, SiH3, Si2H6). Šie kompleksai difunduoja link padėklo paviršiaus, kur kondensuojasi. Energetiškai kontroliuoti šių frakcijų nusėdimą sudėtinga. Kur kas paprasčiau stebėti turinčių krūvį kompleksų nusėdimą. Jų energija priklauso nuo potencialų skirtumo tarp plazmos ir padėklo.

Pastovios tempiančios įtampos atveju plazmoje atsiranda tamsus tarpas, kuriame krinta plazmos potencialas. Jei padėklo ar augančio sluoksnio laidumas mažas, jo paviršiuje gali susikaupti krūvis, kuris trukdys tolimesniam sluoksnio augimui. Neutralių atomų tamsiosios srities laukas neveikia. Tačiau susidauždami su kryptingai judančiais jonais neutralūs atomai įgauna tam tikrą judėjimo kiekį link padėklo. Kitaip tariant jonai velka su savimi neutralius atomus. Spektrometrinė analizė parodė, kad daugeliu atvejų neutralių atomų yra 5 – 6 eilėm daugiau negu jonų, todėl šis vilkimo reiškinys yra gana svarbus sluoksnio augimui. Tamsioje išlydžio srityje teigiami jonai bus greitinami, elektronai – lėtinami. Greitieji elektronai gali turėti pakankamą kiekį energijos, kad pasiektų paviršių. Jų vidutinė energija yra tarp 0.5 ir 5 eV, o tai reiškia, kad efektinė temperatūra 10 – 100 kartų viršija dujų temperatūrą. Tankis apytiksliai lygus teigiamų jonų tankiui. Vadinasi, bombardavimas greitaisiais elektronais taip pat stipriai veikia sluoksnio augimą. Kai kurie didelių energijų neutralūs kompleksai ir jonai, turintys H+, H+2, H+3, beveik nepraranda energijos ir tiesiogiai bombarduoja padėklą. Derėtų atkreipti dėmesį į energijos persiskirstymą paviršiuje. Akivaizdu, kad greiti Ar ir Si jonai gali sukelti žymius struktūrinius sluoksnio pakitimus. Si ir H atomai gali būti atplėšti nuo paviršiaus, o bombarduojantys jonai įterpiami į sluoksnį. Bombardavimas vandeniliu sukelia jau esančių H atomų gardelėje persigrupavimą bei implantaciją. Sluoksnio struktūrą žymia dalimi lemia atlekiančių prie jo atomų gebėjimas difunduoti. Si ir H atomų judrumas sluoksnio paviršiuje gali didėti ne tik keliant padėklo temperatūrą, bet ir intensyvėjant bombardavimui. Plazmoje taip pat susidaro minkštasis rentgeno spinduliavimas bei fotonai, kurie gali padaryti radiacinius sluoksnio pažeidimus.

Sluoksnių pagamintų rusenančiame išlydyje kokybę įtakoja auginimo metu susiformavusi struktūra. O ją lemia įvairūs procesai bei daugelis technologinių parametrų: dujų slėgis kameroje, dujų srauto greitis, skaldančio lauko galia ir kiti.

Kiek bebūtų tobula technologija, niekada sluoksniai nebūna vienalyčiai pagal sudėtį. Pasirodo, kad a-Si:H sluoksnius sudaro trimačiai švaraus Si tinkleliai ir stipriai netvarkios mažesnio tūrio Si-H sritys. Aptariant sluoksnių savybes reikia atsižvelgti ir į šias sudėties fliuktuacijas. Nuo H koncentracijos priklauso valentinės juostos viršaus padėtis. Iš čia seka, kad stipriai netvarkiose Si-H srityse turėtų būti didelės erdvinės draudžiamos energijos tarpo fliuktuacijos dėl sudėties nevienalytiškumo, kurios savo ruožtu sukuria aukštą lokalinių būsenų koncentraciją. Pastarosios gali veikti kaip efektyvios skylių gaudyklės.

Tiriant IR spektrus, nustatyta, kad sluoksniuose, pagamintuose esant žemoms padėklo temperatūroms, yra iki 30% H ir vyrauja SiH grupių grandinės. Skanuojančiu elektroniniu mikroskopu stebėta koloninė tokių sluoksnių struktūra. Padaryta išvada, kad tarp mažiau hidrogenizuotos medžiagos stulpų yra išsidėstę polisilaninės grandinės. Optimalus padėklo temperatūrų intervalas 200 – 300oC. Aukštas dujų slėgis kameroje bei didelė išlydžio galia taip pat sudaro palankias sąlygas dujinės fazės polimerizacijai. Apie tai byloja padidėjęs SiH2 ir SiH3 grupių kiekis sluoksniuose.

4.2.2 Karštos vielos metodas

Pirmąkart a-Si:H sluoksnių gamyba karštos vielos metodu buvo pademonstruota 1979 m. Wiesman’o ir kolegų, tačiau rezultatai n

. . .

Sluoksnių gamybai karštos vielos metodu galima naudoti tą pačią vakuuminę įrangą kaip ir gaminant rusenančiame išlydyje, tik reikia atlikti keletą pertvarkymų. Kuo ir numatoma pasinaudoti tolimesniame mūsų darbe. Visų pirma vietoj tinklelio įstatysime volframo ar panašią vielą, kad galima būtų pasinaudoti jau turima įranga. Tačiau, parenkant atstumą tarp kaitinimo vielos ir padėklo, labai svarbi įrangos konstrukcija, todėl optimalus variantas gali būti surastas tik eksperimentų metu. Naudotos, gaminant a-Si:H sluoksnius karštos vielos metodu, aparatūros schemos parodytos 4 ir 5 paveiksluose.

Darbo tikslas pagaminti keletą sluoksnių pavyzdžių ir juos patyrinėjus surasti optimaliausias gamybos parametrų grupes, liko neįgyvendintas, dėl vakuuminės įrangos gedimų, kurių neleido atlikti bandomųjų auginimų.

Iš literatūros apžvalgos, lyginant karštos vielos metodą su gamyba rusenančiame išlydyje, būtų galima suformuluoti sekančias išvadas.

IŠVADOS

• Sluoksnių, pagamintų karštos vielos metodu, savybės yra panašios ir geresnės lyginant su sluoksniais, pagamintais naudojant plazmą, o jų struktūra yra tolygesnė, defektų tankis mažesnis.

• Sluoksnių užteršimas volframo atomais, kai vielos temperatūra neviršija 1900oC, yra nežymus.

• Šis metodas tinkamas ne tik a-Si:H sluoksnių gamybai, bet jį naudojant galima auginti ir c-Si.

Literatūra

1. B. Schroeder. Thin film technology based on hydrogenated amorphous silicon. Mat. Sc. And Engineering, A139 (1991) 319 – 333 p.

2. A. H. Mahan, J. Carapella, B. Nelson, and R. S. Crandall, J. Appl. Phys. 69 (1991) 6728 p.

3. M. Heintze, R. Zedlitz, H. N. Wanka, and M. B. Schubert, J. Appl. Phys. 79 (5) (1996) 2669 – 2706 p.

4. H. Matsumura, Jap. J. Appl. Phys. 30 (1991) 1522 – 1524 p.

5. R. S. Crandall, X. Liu, and E. Iwaniczko, J. Non – Cryst. Solids 227 – 230 (1998) 23 – 28 p.

6. H. Wiesmann, A. K. Gosh, T. McMahon, and M. Strogin, J. Appl. Phys. 50 (1979) 3752 p.

7. Amorfinio hidrogenizuoto silicio fotojautrių sluoksnių technologijos paruošimas ir tyrimai, ataskaita už Lietuvos vyriausybės mokslo, studijų ir technoligijų tarnybos užsakytą darbą, VU Kieto kūno elektronikos katedra, Vilnius (1994) 90 p.

Join the Conversation

×
×