Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
302
Глава 6
6.3.2 Высокочастотное ионное распыление
К преимуществам метода ионного распыления относятся: возможность осаждения a-Si: Н при отсутствии токсичных газов, более точный контроль условий конденсации и меньшая степень загрязнения пленок кислородом и азотом.
Гидрогенизированный аморфный кремний осаждают, распыляя кремниевую мишень в водородсодержащей атмосфере. Для получения собственно a-Si: Н используют мишень из не1 легированного кремния, а при нанесении пленок a-Si: Н п- или p-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 a-Si: Н, создаваемых методом высокочастотного ионного распыления, и определили оптимальные значения двух параметров процесса осаждения: температуры подложки (~200 °С) и 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 a-Si: Н, выращиваемым в тлеющем разряде. Вследствие этого приборы на основе гидрогени-зированного 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/см2) 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 и др. [71] вводили большее количество компенсирующих примесных атомов. Другой способ [72] уменьшения концентрации дефектов, появляющихся в результате соударения атомов кремния с выращиваемой пленкой, успешно применявшийся несколькими авторами [22, 24, 72], связан с увеличением парциального давления аргона (примерно до 4 Па) при нанесении a-Si: Н. В этом случае образуются пленки более высокого качества, сравнимые по свойст-
Солнечные элементы на основе аморфного кремния 303
вам (фотопроводимости, фотолюминесценции, оптическим характеристикам и параметрам процесса переноса носителей заряда) с пленками а-Si: 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 SiH2, а на более поздних стадиях реакции образуется слой а-Si: Н.
6.3.4 Кинетика процесса осаждения в тлеющем разряде
Изучению кинетики осаждения а-Si: Н в тлеющем разряде, или химических аспектов этого процесса, посвящено немного работ. С помощью масс-спектрального анализа установлено, что в плазме SiH4 в довольно большом количестве содержатся дигидриды (SiH2+) и тригидриды (SiH3+) кремния, концентрация же высших силанов (SixH^ х>2) меняется в зависимости от условий осаждения. Вопрос о влиянии состава плазмы на качество пленок а-Si: Н остается дискуссионным, тем не менее исследование гидрогенизированного аморфного кремния, получаемого в различных условиях, показывает, что наличие в плазме моногидрида кремния (SiH4*) 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 лишь моногидрид кремния [56, 75, 76]. При температуре подложки, близкой к комнатной, в пленках, по-видимому, образуются включения полисиланов. Бауэр и Билгер [23] 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-Si: Н, что позволило получать пленки с воспроизводимыми характе-
304
Глава 6
V, кВ Q
Рис. 6.2. Зависимости концентрации SiH от напряжения V на электрода: ного распыления (а) и от плотности ' плазменного осаждения (б) [23]. а) ние — 1 Па; б) состав газа — Аг +
