Анализ технологических операций при изготовлении тонкопленочных солнечных элементов. Изменение удельной электропроводности кремниевой пленки. Применение лазерного отжига. Выбор оптимальной мощности для получения наилучших электрофизических параметров.
При низкой оригинальности работы "Исследование морфологии поверхности и электропроводности пленок кремния после лазерного отжига", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
В настоящее время лазерный отжиг широко применяется для создания пленок поликристаллического кремния, который перспективен для использования в тонкопленочных солнечных элементах, а также транзисторах, жидкокристаллических дисплеях и сенсорах за счет рекристаллизации аморфных и нанокристаллических пленок кремния [1-3]. При лазерном отжиге скорость перемещения предметного столика для образцов составляла 5 мм/с, а мощность лазерного излучения изменялась в пределах от 34 до 86 Вт (шаг 13 Вт) [3-6]. 1 представлены РЭМ-изображения морфологии поверхности пленок кремния в зависимости от мощности излучения лазерного отжига. В результате лазерного отжига пленок кремния установлено, что с увеличением мощности лазерного излучения наблюдается возрастание размера нанокристаллов в пленке до порядка 400 нм в результате спекания исходных наночастиц. После лазерного отжига излучением с мощностью 47 Вт размер нанокристаллов кремния значительно увеличивается до примерно 100 нм, при этом в пленке присутствуют незатронутые агломераты нанокристаллов (рис.На основе экспериментальных исследований лазерного отжига определены зависимости размера нанокристаллов и удельной электропроводности пленок кремния от мощности излучения лазерного отжига. Таким образом, лазерный отжиг позволяет значительно изменять размер нанокристаллов и удельную электропроводность полупроводниковых структур, что делает его важной технологической операцией при изготовлении высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов.
Введение
Воздействие лазерного излучения на полупроводники может приводить к различным изменениям их кристаллической структуры, электрофизических и оптических свойств. В настоящее время лазерный отжиг широко применяется для создания пленок поликристаллического кремния, который перспективен для использования в тонкопленочных солнечных элементах, а также транзисторах, жидкокристаллических дисплеях и сенсорах за счет рекристаллизации аморфных и нанокристаллических пленок кремния [1-3].
Описание эксперимента
В процессе лазерного отжига использовались пять однородных образцов нанокристаллического кремния (толщина 1,2-1,3 мкм) на стеклянной подложке, полученные центрифугированием суспензии на основе наночастиц кремния (средний размер частиц 20 нм). Образцы подвергались воздействию Nd:YAG лазера с длиной волны 532 нм (LIMO 100-532/1064), длительностью импульса 55 нс и частотой следования импульсов 10 КГЦ. Лазерный луч фокусировался на образце в виде узкой линии шириной 10 мкм и длиной 60 мм. При лазерном отжиге скорость перемещения предметного столика для образцов составляла 5 мм/с, а мощность лазерного излучения изменялась в пределах от 34 до 86 Вт (шаг 13 Вт) [3-6].
Исследование морфологии поверхности пленок кремния на стеклянной подложке осуществлялось методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Nova Nanolab 600. Исследование электрофизических параметров пленок кремния осуществлялось с помощью установки ЭДС Холла Ecopia HMS-3000.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены РЭМ-изображения морфологии поверхности пленок кремния в зависимости от мощности излучения лазерного отжига. Исходные кремниевые нанокристаллы имели средний размер 20 нм (рис. 1, а). В результате лазерного отжига пленок кремния установлено, что с увеличением мощности лазерного излучения наблюдается возрастание размера нанокристаллов в пленке до порядка 400 нм в результате спекания исходных наночастиц. При мощности лазерного излучения 34 Вт поверхность пленки кремния остается практический без изменений (рис. 1, б). После лазерного отжига излучением с мощностью 47 Вт размер нанокристаллов кремния значительно увеличивается до примерно 100 нм, при этом в пленке присутствуют незатронутые агломераты нанокристаллов (рис. 1, в). Тенденция дальнейшего увеличения размера кристаллов с увеличением мощности продолжается (рис. 1, г, д), так при значении мощности 60 Вт образуются ярко выраженные боковые кремниевые соединения в пределах всей пленки (формируется кремниевая сетчатая структура). Мощность лазерного излучения 73 Вт (рис. 1, д) приводит к образованию дополнительных относительно больших сферических структур сверху спеченной кремниевой сетчатой структуры. Наблюдаемый размер этих сферических структур имеет значение порядка 400 нм и дальнейшее повышение мощности не приводит к росту размера данных структур (рис. 1, е). Однако при мощности 86 Вт и более происходит ухудшение общей морфологии пленки кремния вследствие начала протекания процесса абляция кремния с подложки. электропроводность кремниевый пленка лазер
Таким образом, мощность лазерного излучения в диапазоне от 60 до 73 Вт является оптимальной для получения наилучшего качества кремниевой пленки при лазерном отжиге.
Рис. 1 - РЭМ-изображения морфологии поверхности пленок кремния
На рис. 2 представлены результаты исследования удельной электропроводности пленок кремния в зависимости от мощности лазерного отжига. Получено, что при увеличении мощности лазерного излучения до 60-70 Вт наблюдается увеличение электропроводности кремния в результате формирования кремниевой сетчатой структуры, в то время как дальнейшее увеличения мощности приводит к ее снижению. Снижение удельной электропроводности пленок при мощностях от 73 до 86 Вт происходит в результате образования больших сферических структур и частичного разрушения поверхностных слоев кремния изза начала протекания процесса абляция [5, 7-10]. Таким образом, наблюдаемые значения удельной электропроводности значительно связаны со структурными изменениями поверхностной морфологии пленки кремния при лазерном отжиге.
Рис. 2 - Зависимость удельной электропроводности пленки кремния от мощности лазерного излучения
Возрастание удельной электропроводности пленки кремния с увеличением размера кристаллов может быть связано с уменьшением количества границ между кристаллами вследствие их спекания, поскольку границы между кристаллами представляют собой области с высокой плотностью дефектов и примесей, сегрегированных в процессе осаждения пленки, и являющиеся энергетическими потенциальными барьерами. Также вероятнее всего происходит изменение механизма проводимости, т.е. с туннелирования через потенциальные барьеры на зонный перенос электронов вследствие процессов спекания и плавления, что способствует значительному увеличению удельной электропроводности [5-7].
Вывод
На основе экспериментальных исследований лазерного отжига определены зависимости размера нанокристаллов и удельной электропроводности пленок кремния от мощности излучения лазерного отжига. Показано, что мощность лазерного излучения в диапазоне от 60 до 70 Вт является оптимальной для получения наилучших электрофизических параметров кремниевой пленки. Таким образом, лазерный отжиг позволяет значительно изменять размер нанокристаллов и удельную электропроводность полупроводниковых структур, что делает его важной технологической операцией при изготовлении высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов.
Результаты получены с использованием оборудования НОЦ «Лазерные технологии», ЦКП и НОЦ «Нанотехнологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (г. Таганрог).
Статья написана в рамках выполнения проекта ФЦП Россия № 14.587.21.0025. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI58716X0025.
Список литературы
1. Y.F. Tang, S.R.P. Silva, M.J. Rose. Super sequential lateral growth of Nd:YAG laser crystallized hydrogenated amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78. pp. 186-188.
2. R. Dassow, J.R. Kohler, M. Grauvogl, R.B. Bergmann, J.H. Werner. Laser-crystallized polycrystalline silicon on glass for photovoltaic applications // Solid State Phen. 1999. Vol. 67-68. pp. 193-198.
3. Е.Ю. Волков, В.Н. Лисоченко, Р.В. Конакова, О.Б. Охрименко, А.М. Светличный. Влияние лазерной обработки на свойства пленок аморфного кремния // Известия высших учебных заведений. Физика. 2011. № 1/2. С. 143-146.
4. Duan Chunyan, Liu Chao, Ai Bin, Lai Jianjun, Deng Youjun, Shen Hui. Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon thin films by a pulsed Nd:YAG laser with 355 nm wavelength // Journal of Semiconductors. 2011. Vol. 32. № 12. pp. 123-128.
5. Ferreira I., Carvalho J., Martins R. Undoped and doped crystalline silicon films obtained by Nd:YAG laser // Thin Solid Films. 1998. Vol. 317. Issues 1-2. pp. 140-143.
7. Malyukov S.P., Sayenko A.V. Laser sintering of a porous TIO2 film in dye-sensitized solar cells // Journal of Russian Laser Research. Vol. 36. Issue 3. 2013. pp. 276-280.
8. Malyukov S.P., Yu.V. Klunnikova, A.V. Sayenko. Laser Annealing of Oxide Films on the Sapphire Surface // Journal of Russian Laser Research. Vol. 36. Issue 3. 2015. pp. 276-280.
9. Куликова И.В. Разработка модели для расчета напряженно-деформированных состояний в полупроводниковых структурах при лазерном воздействии // Инженерный вестник Дона. 2014. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2378.
10. Куликова И.В., Малюков С.П., Калашников Г.В., Приступчик Н.К. Исследование влияния режимов работы Nd:YAG лазера на напряженно - деформированные состояния в обрабатываемой полупроводниковой структуре // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2000.
References
1. Y.F. Tang, S.R.P. Silva, M.J. Rose. Super sequential lateral growth of Nd:YAG laser crystallized hydrogenated amorphous silicon // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78. pp. 186-188.
2. R. Dassow, J.R. Kohler, M. Grauvogl, R.B. Bergmann, J.H. Werner. Laser-crystallized polycrystalline silicon on glass for photovoltaic applications. Solid State Phen. 1999. Vol. 67-68. pp. 193-198.
4. Duan Chunyan, Liu Chao, Ai Bin, Lai Jianjun, Deng Youjun, Shen Hui. Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon thin films by a pulsed Nd:YAG laser with 355 nm wavelength. Journal of Semiconductors. 2011. Vol. 32. № 12. pp. 123-128.
5. Ferreira I., Carvalho J., Martins R. Undoped and doped crystalline silicon films obtained by Nd:YAG laser. Thin Solid Films. 1998. Vol. 317. Issues 1-2. pp. 140-143.
7. Malyukov S.P., Sayenko A.V. Laser sintering of a porous TIO2 film in dye-sensitized solar cells // Journal of Russian Laser Research. Vol. 36. Issue 3. 2013. PP. 276-280.
8. Malyukov S.P., Yu.V. Klunnikova, A.V. Sayenko. Laser Annealing of Oxide Films on the Sapphire Surface // Journal of Russian Laser Research. Vol. 36. Issue 3. 2015. PP. 276-280.
