الملخص المقدمة. Chemical Vapor Deposition(CVD) Chemical Vapor Deposition

Transcript

1 تا ثير نسبة الخلط على تركيز وتحريكية حاملات الشحنة في ا غشية السليكون العشواي ي المهدرج المحضر بطريقة LICVD صادق هاني لفتة* الملخص نظ را لا همي ة طريق ة LICVD وح داثتها وأهمي ة غش اء a-si:h ف ي مج ال الطاق ة الشمس ية والا لكترونات فقد ح ضر هذا الغشاء وبالطريقة أعلاه وتمت اشابته ب نفس طريق ة الترس يب بخل ط غ ازات الاش ابة ال ثلاث المس تخدمة وه ي ) 3 (B 2 H 6, SF 6, BCl م ع غ از الس يالين لتولي د أغش ية n-type و- p.type غ يرت نسبة خلط غازات الاشابة مع غاز السيالين ) SiH4 (r = P doping gas / P م ن 0.1 إل ى لتغيير نسبة حاملات الش حنة ف ي الغش اء المرس ب وت م الحص ول عل ى نس بة ترآي ز حام لات تت راوح م ن 3- cm 10 9 إل ى ح والي 3- cm م ع انخف اض معق ول بالتحريك ية. اعت مد عل ى تقني ة ت ا ثير ه ول ف ي إج راء القياس ات حي ث ت م دراس ة ت ا ثير تغي ر نس بة الخل ط r عل ى ترآي ز ح املات الش حنة (الا لكترون ات والفجوات) وتحريكية هذه الحاملات. تعد أغشية السليكون العشواي ي المهدرج -a Si:H أحد المواد المهمة في تصنيع الخلايا الشمسية وآثير من نباي ط أشباه الموصلات الفولتاي ية لما يتميز به من خصاي ص بصرية وآهرباي ية وانخفاض تكاليف تصنيعه مقارنة ببقية المواد. وهناك عدة طراي ق لتحضير هذا الغشاء أهمها طراي ق ترسيب البخار الكيمياي ية Chemical Vapor Deposition(CVD) نظرا للا مكانيات والميزات التي تتمتع بها هذه الطراي ق [2,1] وقد ادخل الليزر في الثمانينات في مجال طراي ق CVD آتطبيق جديد ونتيجة العيوب التي تسببها الطراي ق الا خرى وبما ان الليزر يحث التفاعل وعملية الترسيب فاصبح المصطلح العلمي للعملية هو Laser Induced Chemical Vapor Deposition.(LICVD) وهناك طريقتان ري يستان من طراي ق (LICVD) هما (LICVD) بالتحلل الحراري (Pyrolysis) و( LICVD ) بالتحلل الضوي ي (Photolysis).[4,3] يس تخدم ع ادة خلط ات م ن غ از الس يالين SiH 4 آغ از من تج ل ذرات الس ليكون وغ ازات *قسم الفيزياء آلية الاداب والعلوم/اوباري جامعة سبها المقدمة أخ رى محتوي ة عل ى ذرات المع ادن آغ ازات منتج ة لل ذرات الش اي بة أو المطعم ة. وم ن ه ذه الخلط ات ين تج غش اء الس ليكون المش اب أو المطع م doped silicon film ف ي عم وم طراي ق.CVD وتتغير نسب الخل ط حس ب آمي ة الاشابة المطلوبة وحسب الطريقة المستخدمة ف ي التحض ير [3]. لق د وج د V.Angelli أن نس بة خل ط الغ از( (r = P B2H6 /P SiH4 م ن إلى 6-10 تولد آثافة فجوات بح دود م ن - cm إلى 3- cm [11] آما أظهرت دراسة تا ثير ه ول م ن قب ل N.Du عل ى النم اذج المحض رة بطريق ة LICVD الح راري أن التحريكي ة µ h بح دود 0.15cm 2 /V.sec م ع توص يلية بح دود (Ω.cm) وللنم اذج المحض رة بطريق ة التفري غ الكهرب اي ي الت وهجي للبلازم ا GD PCVD ف ان µ h تس اوي م ن - 10 إل ى.[12] 10-2 cm 2 /V.sec 1 cm 2 /V.sec وق د أش ار بع ض الب احثين إل ى ض رورة اختب ار النم اذج بتقني ات حي ود الا ش عة الس ينية XRD أو المجهر الا لكتروني النف اذ TEM أو تقني ة تش تت رامانRBS للتا آد من عدم وجود ترآيب بلوري مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

2 صادق هاني لفتة دقيق في الغشاء [12,13]. عموما فان تحريكية هول اقل من التحريكية التوصيلية أو الناتجة بالانجراف بسبب اقتناص المتكرر من قبل القانصات الضحلة traps) (shallow.[6,14] وتكون قيم هذه التحريكات اآبر في الحالة البلورية مما في حالة العشواي ية [10]. استخدم A.J.Silvestrre ليزر CW CO 2 بطريق ة LICVD الح راري والض وي ي ودرس نم و أغش ية مختلف ة باس تخدام لي زرات مختلف ة ش به موص لة وغيره ا ومنه ا الس ليكون واثب ت إمكاني ة اش ابتها آم ا اثب ت الامتص اص الجي د لغ از BCl 3 للي زر.[15] CO 2 آم ا وض ع Bia WU طريق ة للس يطرة عل ى نم و الغشاء [16]. ح ث A.Abed النم و الف وقي للس ليكون باس تخدام طريق ة LICVD لغ از الس يالين باس تخدام لي زر الارآ ون[ 17 ]. وت م إنم اء ع دد م ن البل ورات الا خ رى باس تخدام ط ريقة IR.[18] LICVD وص مم Jack Lacky ومس اعديه م نظومة تجاري ة لمص نعي الا لكترون ات الدقيق ة بالا غش ية ش به الموص لة بطريق ة LICVD نظ را لم ا تمتلك ه ه ذه الا غش ية م ن نق اوة عالي ة ومس امية قليلة وامكانية تبلور جيدة[ 19 ]. واخيرا فقد صنعت نباي ط إلك ترونية ودواي ر متكامل ة وم واد مغناطيس ية واج زاء ميكانيكي ة مايكروية بتقنية [20]. LICVD طريقة التحضير المستخدمة اس تخدم غ از الس يالين SiH 4 م ع غ ازات p- سليك ون أغش ية لترس يب B 2 H 6,BCl 3 type ومع غاز SF 6 لترسيب أغشية سليكون r 10= 5- ب ين تت راوح خل ط وبنس ب n-type ( r = P r =10-1 إل ى ) SiH4 doping gas / P حيث أن P doping gas هو ضغط الغ از المنت ج للش واي ب مث ل B 2 H 6, SF 6, BCl 3 ف ي خلي ة الترسيب و P SiH4 هو ضغط غاز السيالين ف ي حج رة الترس يب. والا رض يات المس تخدمة substrates لترسيب آافة الا غشية هي من نوع السليكا. اس تخدم لي زر ث اني اوآس يد الكرب ون ذو التهيج المستعرض بالضغط الجوي TEA CO 2 وبطاق ة نبض ة بح دود J 1.5 وبط ول نبض ة حوالي 100ns تتب ع ب ذيل يص ل طول ه إل ى 1µs بس بب وج ود غ از النت روجين ويبل غ مع دل التكرار للنبضات.1Hz ص نعت خلي ة الترس يب م ن الحدي د المق اوم للص دا بش كل أس طواني القاع دة بقط ر 10cm وارتف اع 18.5cm بفتح ات جانبي ة ل دخول وخ روج ش عاع اللي زر تفص لهما مس افة 20cm واس تخدمت معه ا نواف ذ م ن الجرم انيوم آنواف ذ للشعاع آما في الشكل (1). واس تخدم مس خن لش راي ح الترس يب يعط ي درجة حرارة 250ºC المقاس ة بم زدوج ح راري ي دخل م ن فتح ة جانبي ة علي ا وي تحكم بدرج ة باستخدام محول فولتية متغير.variac وتتك ون المنظوم ة بالا ض افة أل ي ذل ك م ن مض خات تفري غ ميكانيكي ة rotary وأخ رى توربيني ة molecular turbo ومقي اس ض غط نوع. pirani أن تع رض خل يط الغ از المحص ور إل ي ح والي 300 نبض ة يعط ي س مك غش اء بح دود.1µm أنجز البحث بمختبرات منظمة الطاقة الذرية العراقية لصالح الجامعة التكنولوجية في بغداد مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

3 تا ثير نسبة الخلط على ترآيز وتحريكية حاملات الشحنة مقباس طاقة خلية الترسيب نافذة مقياس ضغط مزدوج حراري ارضية شعاع ليزر ليزر TEA CO 2 CRO إلى المضخة صمام مسخن مقياس ومنظم درجة حرارة قنينة عاز الاشابة قنينة عاز الاشابة شكل رقم( 1 ) قياسات تا ثير هول بعد ترسيب أغشية a-si:h رسبت أقطاب رباعية متقابلة من الا لمنيوم أو الانديوم آما في الشكل( 2 ) باستخدام منظومة تبخر خاصة نوع BALZAR BPU100 لا جراء قياسات تا ثير هول وباستخدام الداي رة المبينة بالشكل( 2 ). واستخدمت عجينة الفضة silver peast لتثبيت الا سلاك النحاسية بالا قطاب المرسبة. تم قياس التيار وجهد هول بوجود مجال مغناطيسي 400V وجهد آهرباي ي مستمر إلى 0.3T واستخدم لذلك مجهز قدرة نوع HCN Heizinger لتوليد الجهد وقياس التيار وجهاز Keithely آفولتميتر لقياس فولتية هول. أقطاب ألمنيوم مجال مغناطيسي B عجينة الفضة الغشاء مجهز قدرة 0-400V A V H شكل رقم (2) مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

4 صادق هاني لفتة R =... ( 2 ) N. e حيث R يحمل إشارة سالبة للا غ شية, n-type N يمث ل ترآي ز ح املات الش حنة, وقيس ت التحريكي ة بالعلاق ة (3) وبالاعتم اد عل ى التوصيلية σ RT المقاسة مس بقا ب الظلام وبدرج ة حرارة الغرفة وعلى معامل هول: µ H = R. σ RT... ( 3 ) ) يحسب معامل هول من العلاقة (1): [6,5] V H R = I d B... ( 1 حيث R هو معامل هول, V H هو جهد هو, I هو التيار المقاس, B هو المجال المغناطيسي (الحث المغناطيسي), d هو سمك الغشاء. وقيست تراآيز الحاملات بالعلاقة (2) : نتاي ج القياسات والمناقشة بغاز B 2 H 6 يظهر سلوك أخر فعند نسب الخلط الواطي ة فان ترآيز الفجوات يتزايد بمعدل اقل مما في الغاز السابق وعند النسب الا على من 10= 3- r فان ترآيز الفجوات يتزايد في الغشاء بصورة اآبر مع زيادة نسبة الخلط. فيما يخص بعد إجراء القياسات ا نفة الذآر تم الحصول على النتاي ج التالية: 1- تغير ترآيز الحاملات مع تغير نسبة خلط الغازات يظهر الشكل (3) تغير ترآيز الحاملات في SF 6 فانه يبدا بمعدل زيادة المنحني التابع لغاز الغشاء (الا لكترونات أو الفجوات) مع تغير نسبة إلى -1 r=10 عالي ضمن مدى الخلط من ) 3 (B 2 H 6, SF 6, BCl خلط غازات الاشابة ثم يتحول إلى زيادة بمعدل اقل من 10=r 3- ويظهر من الشكل أن المنحني التابع لغاز BCl =r إلى 2-10=r. ويظهر من ضمن المدى يتزايد فيه ترآيز الفجوات N h بتزايد نسبة الخلط الشكل إن ترآيز الفجوات باستخدام غاز BCl 3 حيث يبدا التزايد خطيا ضمن النسبة r أعلى منها باستخدام غاز B 2 H 6 وتنخفض عنهما من cm 5x10 10 إلى =10 r من -4 r=10 قيم ترآيز الا لكترونات باستخدام غاز.SF 6 3- cm ويبدا بعدها المنحني بالانحناء إلى نحو الا شباع بالترآيز. وبالنسبة لمنحني الاشابة شكل رقم( 3 ) مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

5 تا ثير نسبة الخلط على ترآيز وتحريكية حاملات الشحنة إن اختلاف نسب الترآيز للفجوات الناتجة باستخدام غاز BCl 3 عن ترآيز الفجوات الناتجة باستخدام غاز B 2 H 6 واختلافها عن ترآيز الا لكترونات الناتجة باستخدام غاز SF 6 يعود إلى:- [7] i.نسبة ما موجود فعلا في الغشاء من آبريت أو البورون. ii.نسبة عدد الذرات الفعالة آهرباي يا في الغشاء والمرتبطة بذرات السيليكون. iii.نسبة عدد الذرات المتا نية والتي تمنح أو تقبل إلكترون. تتدخل الكيمياي ية الضوي ية غازات الاشابة وعملية التصادم والترسيب في تحديد النسب أعلاه التي أظهرت اختلافات قيم تراآيز حاملات الشحنة في الغشاء [8], لذلك يفسر ارتفاع تراآيز الفجوات في النماذج المشابة باستخدام غاز BCl 3 إلى ارتفاع نسبة البورون في الغشاء, أما انخفاض ترآيز الا لكترونات في الا غشية المشابة باستخدام غاز SF 6 فهو نتيجة نسبة عدد الذرات المتا ينة القليلة التي تمنح الا لكترون إلى حزمة التوصيل وليس نسبة ما هو موجود فعلا في الغشاء من الكبريت. 2. تغير التحريكية مع تغير نسبة خلط الغازات:- يوضح الشكل (4) تغير التحرآية لحاملات الشحنة مع تغير نسبة خلط غازات الاشابة حيث تم الاعتماد على قياس التوصيلية σ RT المقاسة مسبقا. يظهر الشكل تناقص التحريكية بازدياد نسبة الخلط وضمن مدى صغير من التغير. وتمتلك الا لكترونات الناتجة من الاشابة بالكبريت تحريكية اآبر مما للفجوات الناتجة بالاشابة بالبورون, وهذا بالتاآيد يرجع إلى حقيقة إن الا لكترونات لها تحريكية اآبر من الفجوات [9]. أما تحريكية الفجوات الناتجة من غاز BCl 3 فهي اقل من الناتجة من استخدام غاز B, 2 H 6 ويعزى ذلك إلى آمية البورون الداخلة في ترآيب الغشاء والتي تتاين فتعمل بشكل مراآز تشتيت لحاملات الشحنة[ 10 ]. شكل رقم (4) مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

6 صادق هاني لفتة إن الاخ تلاف ب ين س لوك ذرات الاش ابة آ البورون و الكبري ت يرج ع إل ى إن س لوك البورون في بلورة السليكون يتصرف آ ذرة قابل ة تعد طريق ة LICVD م ن الط رق الناجح ة والواع دة ف ي تحض ير واش ابة أغش ية a-si:h وباستخدام الغ ازات ) 3 (B 2 H 6, SF 6, BCL م ع غاز الس يالين رغ م أن غ از SF 6 لا يعط ي نس بة اش ابة فعال ة مقرب ة ببقي ة الغ ازين. إن التناس ب بينم ا س لوك الكبري ت ه و آ ذرة مانح ة وآ ذلك يرج ع ه ذا الاخ تلاف إل ى اخ تلاف طاق ة ت ا ين الذرتين آشواي ب في السليكون. الاستنتاج الخط ي ب ين نس بة الخل ط وترآي ز الاش ابة الن اتج هو غالب ا ف ي نس ب الخل ط الواطي ة أو المنخفض ة ع دا حال ة B 2 H 6 وزي ادة نس بة الخل ط ع ن = r 0.01 يسبب إشباع ف ي ترآي ز الح املات ونق ص في التحريكية. Effect of Mixing Ratio on Concentration and Mobility of Charge Carriers in Hydrogenated Amorphous Silicon prepared by LICVD Sadeg H. Lafta Abstract Due to the importance and the modernity of LICVD method and the importance of a-si:h film in solar energy and electronic components fields, this film was prepared by LICVD method and doped by the same method. The doping was achieved by mixing one of dopant gas (B 2 H 6, SF 6, BCl 3 ) with silane (SiH4) to produce n-type and p-type silicon films. The mixing ratio of the dopant gases and silane (r = P doping gas / P SiH4 ) was changed from 0.1 to 10-4 to change the concentration of charge carriers in the film. Concentration about 10 9 cm -3 to about cm -3 had been achieved with acceptable decreasing in mobility. Hall Effect technique was used to achieve the measurements when it used to study the effect of varying of mixing gases ratio (r) on the concentration of charge carriers (electrons & holes) and the mobility of these carriers. المصادر Application, Noyes Publication USA, P D.Tonneau et al, 1987, Thin Sold Film, P. 155, J.Seymour, 1981, Electronic Devices & Component, Bath Press, Avon, P Y.Hamakawa, 1983, Amorphous semiconductor, Technology & devices, Ohm press, North Holland P Chopra, 1973, Thin Film Phenomena, Mc-Gray Hill, New York, P Hugh O.Pierson,1992, Handbook of CVD, Technology And مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)

7 تا ثير نسبة الخلط على ترآيز وتحريكية حاملات الشحنة 14. J.Kakalios,, J. Noncrystallne Solids, 114, (1989), P A.J.Silvestre & O.Conde, Surface and Coating Technology, , (1998), A.J.Silvestre & O. Conde, Applied Physics A, 79, (2004), H.Abed. Journal of Vacuum Science &Technology B, V.24, issue 3, PP R.Biswas, Physics Review B, V.65, 2051, Jack Lacky &Et Al, 2002, Laser CVD System Design, Operation, Modeling,Internet Publishing. 20. Tianhong Cui, 2004, Nanoelectronic of Semiconductor, Internet Publishing. 6. J.Tauc, 1974, Amorphous And Liquid Semiconductor, Plenum Press, London, P M.H.Brodsky, 1979, Amorphous Semiconductor, Springer-Verlag, New York, P I.Gianinoni and M.Music, J.Noncrystalline Solids, 1985, 77-78, P M.Bertolotti, 1983, Physical Process In Laser Material Interactions, Plenum Press, P S.M.Size, 1981, Physics of Semiconductor Devices, 2 nd Ed, John Wiley & Sons, New York, P V.Augelli Et Al. Thin Solid Film, 125, (1985), P N.Du Et Al, J. Noncrystallne Solids, 114, (1989), P V.Ncenzo Et Al, Thin Solid Film, 125(1985), P مجلة جامعة سبها (البحثة والتطبيقية)المجلد السادس العدد الثاني (2007 ف)