Алюминий-индуцированная кристаллизация тонких пленок аморфного нестехиометрического оксида кремния

Одним из подходов для решения проблемы создания дешевых и эффективных кремниевых солнечных элементов является технология получения тонких пленок (толщиной 1-2 мкм) поликристаллического кремния (поликремния, poly-Si) на дешевых подложках из стекла. Солнечные элементы, полученные с использованием подхода “поликремний на стекле”, сочетают преимущества как подложечных, так и тонкопленочных устройств. В настоящее временя, в качестве одного из перспективных подходов по получению пленок поликремния на дешевых низкотемпературных подложках является метод алюминий-индуцированной кристаллизации (АИК) аморфного кремния (a-Si). Процесс АИК подразумевает изотермический отжиг двухслойной тонкопленочной струк-туры a-Si/Al при температурах ниже точки эвтектики системы Al-Si (577 °C), который приводит к кристаллизации кремния, индуцированному алюминием обмену слоями и формированию пленки поликремния. Процесс обмена слоями - это трансформация исходной слоистой структуры «подложка/Al/a-Si» в структуру «подложка/poly-Si/Al + (a-Si/c-Si)», где Al + (a-Si/c-Si) – вспомогательный слой, который представляет собой пленку Al, содержащую фазы аморфного и кристаллического Si.

В данной работе в качестве исходного кремнийсодержащего прекурсора в процессе АИК предложено использование пленок аморфного нестехиометрического оксида кремния (a-SiOx). Поскольку требования к качеству вакуума при синтезе a-SiOx менее строгие, чем для a-Si, использование кислородсодержащего материала в процессе АИК может потенциально привести к снижению производственных затрат при получении СЭ. Кроме того, использование a-SiOx в процессе АИК способствует снижению концентрации центров зародышеобразования кристаллической фазы кремния и, как следствие, укрупнению размера формирующихся зерен, что приводит к получению поликремния более высокого качества.

Было показано, что использование a-SiOx с различной стехиометрией (x = 0.25 и 1.8) в качестве исходного кремнийсодержащего материала в процессе АИК позволяет получить сплошные пленки поликремния при температуре 550 °С. При этом, в случае низкого содержания кислорода в системе (x = 0.25), вспомогательный слой, образующийся в результате обмена слоями, состоит из смеси атомов Al, Si и O с включениями нано-кристаллитов кремния. Присутствие кислорода в структуре подавляет образование кристаллических структур более крупного масштаба во вспомогательном слое отожженного образца. В случае высокого содержания кислорода в структуре (x = 1.8) происходит неоднородная трансформация вспомогательного слоя с образованием островков оксида алюминия субмикронного размера вблизи интерфейса «poly-Si/вспомогательный слой» в результате полного окисления Al.

Схематическое изображение процесса обмена слоями при АИК a-SiOx,
представленное в поперечном сечении образца.

Была исследована кинетика процесса АИК a-SiO0.25 в диапазоне температур отжига 370–400 °C. Показано, что с ростом температуры отжига увеличивается плотность зародышеобразования кристаллической фазы кремния от 3 до 53 мм−2, что значительно меньше, чем для процесса АИК a-Si. Получено значение энергии активации процесса, которое составило 3.7±0.4 eV.

ИТ СО РАН, ИНХ СО РАН, ИФП СО РАН, НГУ. Руководитель работы – Баранов Евгений Александрович с.н.с., к.ф.-м.н. Исполнители – Замчий Александр Олегович с.н.с., к.ф.-м.н.; Константинов Виктор Олегович м.н.с.; Меркулова Ирина Евгеньевна м.н.с., аспирант; Лунев Никита Александрович студент, лаборант. Тел. +7 (383) 335-66-76.