Получение текстурированных пленок кремния на металлических подложках с оксидными буферными слоями методом химического осаждения из газовой фазы

• Автор: Мойзых, Михаил Евгеньевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 107 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение

2. Обзор литературы

2.1. Солнечный элемент

2.1.1. История и классификация

2.1.2. Принцип работы элемента диодного типа

2.1.3. Потери эффективности фотопреобразования

2.1.4. Межзеренные границы в полупроводниках

2.1.5. Преимущества кремниевой фотовольтаики

2.2. Тонкие пленки кремния

2.2.1. Сравнение методов осаждения пленок кремния

2.2.2. Химическое осаждение кремния из газовой фазы
2.2.3. Эпитаксиальный рост
2.2.4. Получение пленок полупроводников с текстурой на поликристаллических подложках
2.3. Заключение по обзору литературы
3. Экспериментальная часть
3.1. Установка для С7В пленок кремния
3.2. Характеристика подложек
3.3. Методы исследования пленок
3.3.1. Рентгеновские методы
3.3.2. Сканирующая электронная микроскопия
3.3.3. Рентгеноспектральный микроанализ
3.3.4. Дифракция обратноотраженных электронов
3.3.5. Использование ЕИХ для определения толщин пленок
3.3.6. Атомно-силовая микроскопия
3.3.7. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения
4. Результаты и обсуждение
4.1. Пленки кремния на сапфире
4.1.1. Калибровка ПО БТЕ^АТ АвЕМ
4.1.2. Осаждение пленок
4.1.3. Микроморфология

4.1.4. Текстура
4.1.5. Исследование дефектов структуры на интерфейсе Бі/Сапфир
4.1.6. Обсуждение микроморфологии и текстурных характеристик Бі/И-АЬОз
4.2. Осаждение пленок кремния на другие оксидные монокристаллические подложки
4.3. Пленки кремния на металлических подложках с оксидными буферными слоями

роста Бі
Текстура пленок кремния
Эволюция текстуры кремния с ростом толщины пленки
Микроструктура поверхности пленок
Образование фаз силицида никеля
Микроструктура границ раздела слоев гетероструктуры
Кинетика осаждения и условия биаксиально-текстурированного

5. Выводы
6. Список сокращений
7. Литература

1. ВВЕДЕНИЕ
Актуальные проблемы энергетической отрасли, а именно - рост энергетических потребностей человека наряду с исчерпанием запасов ископаемых топлив, заставляет обращать все большее внимание на альтернативные источники энергии. Одним из наиболее динамично развивающихся направлений альтернативной энергетики следует признать фотовольтаику - прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую. К числу неоспоримых преимуществ фотовольтаического производства энергии относится практически полная экологичность и огромный потенциал для дальнейшего роста, ведь мощность излучения, падающего на землю, примерно в 1000 раз превышает потребление всего человечества.
Однако, несмотря на то, что темпы роста производства солнечной энергии составляют 20% в год, по-настоящему широкое распространение фотовольтаики сдерживается двумя взаимосвязанными факторами: недостаточной эффективностью конверсии солнечной
энергии в электрическую и высокой стоимостью солнечных элементов. Это приводит к тому, что в настоящее время применение солнечных элементов для коммерческого производства энергии оправдано лишь в исключительных случаях.
Эффективность фотопреобразования кремниевого солнечного элемента (а можно утверждать, что кремний будет еще долгое время основным полупроводниковым материалом в фотовольтаике) напрямую зависит от кристаллического качества полупроводника-поглощающего слоя солнечного элемента. Именно поэтому в недорогом аморфном и поликристаллическом кремнии - сильнодефектных материалах - не удается достичь высоких показателей эффективности вследствие рассеяния носителей заряда на дефектах структуры. С другой стороны, в монокристалле кремния с малой дефектностью удается достичь большей эффективности преобразования, однако использование монокристаллических подложек существенно повышает стоимость солнечного элемента.
В подходе к созданию солнечного элемента, рассматриваемом в рамках диссертации, предполагается совместить достоинства обоих типов структур путем текстурирования пленки кремния на металлической подложке. Поскольку материал с высокой степенью кристаллографической текстуры обладает существенно меньшим количеством дефектов, нежели поликристалл, можно ожидать высоких характеристик эффективности, а использование металлических подложек позволит снизить стоимость (в сравнении с монокристаллическим элементом). Помимо цены, металлические подложки имеют еще ряд
Так, в ранних работах по гомоэпитаксиальному росту кремния методом СУО [65] скорость осаждения пленок составляла 2-10 мкм/мин (СП при атмосферном давлении, прекурсорная смесь - ЗЮЦ/Щ. Эпитаксиальный рост при такой скорости осаждения осуществлялся при температуре 1175 - 1280 °С; осаждение пленок при температуре 895 °С приводило к образованию поликристаплических пленок. В работе [81] были установлены границы (Г, СЯ) гомоэпитаксиального роста кремния из силана при атмосферном давлении (рис. 19). Использование силана в качестве прекурсора позволяет повысить скорость осаждения кремния. Авторам удалось достичь скоростей роста вплоть до 40 мкм/мин, при температуре в 1150 °С. Снижение температуры СУБ при атмосферном давлении лимитируется сложностью очистки реактора и прекурсоров от окисляющих примесей [82].

Окисление Si
Восстановление Si

Рис. 18. Равновесные данные границ условий окисления-восстановления кремния как функция парциального давления паров воды и температуры.
Рис. 19. Линия раздела эпитаксиальный-поликристаллическнй рост па диаграмме скорость роста (СД) - температура (7) при осаждении 81 из 81Н4 на подложку 81(111).
В 1988 году авторы [83] сообщили о снижении температуры эпитаксиального роста на Si (100) при термическом CVD до 800 °С. Очистка подложки включала RCA-обработку и отжиг при 800 °С в атмосфере Ar и давлении 10 мТорр. Осаждение проводтся в высоковакуумной установке: базовое давление - 2-5 10'7 Topp, давление SiH4 - 6 мТорр. Скорость роста составила 65 нм/мин.
Еще более значительно снизить температуру удалось авторам [84], сообщающим об эпитаксиальном росте кремния при 550 °С в сравнительно низковакуумной установке (базовый вакуум - 0.013 мбар). Для осуществления эпитаксиального роста при столь низкой температуре скорость роста пленки ограничивалась 7 нм/мин.
Для ускорения осаждения использовались различные методы активации разложения силана. С использованием метода активации Hot Wire (см. раздел 2.2.2.6) удалось осуществить эпитаксиальный рост при температуре 610 °С и скорости роста пленки