ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В отличие от монокристаллических полупроводников, у которых раз­личные технологии их синтеза обеспечивают получение сопоставимых свойств, у аморфных полупроводников наблюдается прямая зависимость между структурными, электрофизическими свойствами и способом получе­ния. Поэтому для практических приложений материала находят применение различные технологии синтеза a-Si:H [27], [30], [36], [49]-[59]. В настоящее время основными методами получения пленок являются: метод тлеющего разряда в смеси силаносодержащих газов, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. В большинстве промышленных установок используется стандартный плазмохимический метод осаждения на частоте 13,56 МГц.

Суть метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плаз­ме тлеющего разряда до образования активных компонент с последующим их осаждением на поверхности роста. Газ, содержащий кремний, обычно моносилан SiH4 с различными разбавителями, чаще всего с водородом, вводится в вакуумную камеру. Газовый разряд поддерживается электриче­ским полем, создаваемым с помощью высокочастотного источника питания между двумя плоскими электродами.

Оптимальные условия роста являются индивидуальными и характер­ными только для конкретной установки. Однако область параметров, в кото­рой получаемый материал обладает оптимальными электрофизическими свойствами, определена: температура подложки ~ 200-300 °С; мощность — минимально необходимая для поддержания тлеющего разряда; давление ~ 0,1-1 мм рт. ст.

При данном методе проводится осаждение многокомпонентных сплавов, а также создаются покрытия на объектах сложной конфигурации при низких температурах подложки и достаточно высоких скоростях роста слоев (1-3 А/с). Обеспечивается возможность наиболее простого в техническом отношении легирования a-Si:H. Для легирования бором и фосфором используют диборан В2Н6 и фосфин РН3 соответственно. Сплавы a-Si:H с Ge, C, O и N получают введением в плазму газов GeH4, CH4, O2 и NO2 или NH3 соответственно.

Современные тенденции в технологии некристаллических полупро­водников предусматривают сохранение высоких оптических и электрофи­зических свойств пленок при высокой скорости их роста и низкой темпера-

туре процесса. Противоречивость этих требований заключается в том, что увеличение скорости роста предполагает повышение температуры подлож­ки для сохранения у материалов электронных свойств приборного качест­ва, а понижение температуры подложки при сохранении приборных ка­честв пленок достигается за счет факторов, значительно снижающих ско­рость роста (например, за счет разбавления водородом). Стандартный плазмохимический метод не позволяет комплексно решить эту проблему, в связи с чем в последнее время разрабатываются новые методы осаждения аморфных полупроводников, введение которых в производственную це­почку приведет к значительному снижению стоимости производства.

Используя сверхвысокочастотный метод (VHFCVD) (20-110 МГц) полу­чаем аморфный гидрогенизированный кремний приборного качества при более низкой температуре подложки и более высокой скорости осаждения, что невозможно сделать при стандартном методе. Скорость осаждения пленок

a-Si:H растет с увеличением частоты разряда, как показано на рисунке. Данный метод эффек­тивен при использовании рулонной техноло­гии получения солнечных батарей.

Для значительного повышения скорости роста при сохранении высоких оптоэлектрон­ных свойств a-Si:H является перспективный метод термокаталитического химического оса­ждения из газовой фазы или химическое осаж­дение из газовой фазы с нагретой нитью (hot­wire chemical vapor deposition — HWCVD). Ме­тод заключается в термическом разложении моносилана на вольфрамовой или танталовой нити, фольге или сетке при температуре 1400-1600 °С. Скорость осаждения a-Si:H можно увеличить до 5-7 нм/с при сохранении высокого качества формируемых слоев. Важную роль на качество осаждаемого слоя оказывает образующийся при термокаталитическом разложении атомарный водород. Получаемая этим методом пленка a-Si:H имеет преимущественно моногидридные связи и низкое содержание водорода (менее 1 %). Принято считать, что понижение содержания водорода способствует снижению де­градации свойств материала со временем. Следует сказать, что в отличие от осаждения слоев i- и n-типа, формирование широкозонного окна p-типа этим методом затруднено, так как введение углерода в a-Si:H сопровожда­ется образованием неоднородной пленки и нестабильной p/i-границы.

60

В методе электронно-циклотронного резонанса (electron-cyclotron resonance chemical vapor deposition — ECRCVD) в качестве газа носителя используется Ar, He или H2. За счет внешнего приложенного магнитного поля электроны достигают циклотронного возбуждения и с помощью регу­лировки силы поля B частота электронов ю = eB/m доводится до резонанс­ного состояния с микроволновой частотой (обычно 2,45 ГГц). Метод по­зволяет осаждать пленки a-Si:H приборного качества со скоростью 25 А/с. Стабильность солнечных элементов, полученных с использованием метода ECRCVD при разбавлении водородом, выше, чем стабильность элементов, сформированных методом тлеющего разряда.

Используя метод тлеющего разряда с частотой возбуждения 55 кГц [56]-[59] осаждаются пленки аморфных полупроводников приборного ка­чества при повышенных скоростях роста (a-Si:H — до 31 А/с, a-SiGe:H — до 11 А/c, a-SiC:H — 5,3-11,1 А/c) и пониженной температуре менее 200 °С. Это связано с тем, что ионная бомбардировка поверхности растущей плен­ки, характерной для данного метода осаждения, обеспечивает релаксацию структуры, формируемой при высоких скоростях роста.

Методом химического осаждения из газовой фазы под действием ос­вещения (photo-CVD) наносятся пленки a-Si:H с лучшими свойствами и с хорошей границей раздела между слоями, поскольку в этом случае отсут­ствуют дефекты, возникающие в результате воздействия плазмы на расту­щую пленку.