ETUDE DU SILICIUM MICROCRISTALLIN (µc-Si) REALISE PAR (PECVD) AVEC LA CARACTERISATION DES DIODES SCHOTTKY (Au-µcSi).

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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ETUDE DU SILICIUM MICROCRISTALLIN (µc-Si) REALISE PAR (PECVD) AVEC LA CARACTERISATION DES DIODES SCHOTTKY

(Au-µcSi).

H. Ayed,* L Yendjeh, L Béchiri, M. Benabdeslem, N.Benslim T Mohammed-Brahim, L.Mahdjoubi

Laboratoire Cristaux et Couches Minces, Faculté des Sciences, Dpt de physique ¹(LESIMS), Université Badji Mokhtar BP.12 Annaba, 23000, Algérie.

GM-IETR, Université RENNES I, 35042 Rennes Cedex, France.

E-mail : [email protected]

Résumé :

Il est bien connu que la structure Schottky est un dispositif puissant utilisé pour la caractérisation des matériaux semiconducteurs. La démarche consiste de préparer puis de caractériser les diodes Schottky et d'en déduire certains paramètres caractéristiques du matériau. Ainsi donc, des jonctions métal- semiconducteur (Au-µcSi : or-silicium microcristallin déposé par (L.P.C.V.D: Low Pression Chemical Vapor Deposition), ont été réalisées avec succès et avec une bonne reproductibilité. L'étude de ces structures a conduit à l'obtention de nouveaux résultats que nous allons présenter dans cette étude.

Pour cela, des plaquettes courantes de silicium monocristallin surdopées de type N, ont été utilisées comme substrats. Ces derniers sont portés à une température de 600°C durant la déposition d'une couche de silicium (µc-Si) sur la face polie des plaquettes. Celles-ci ont été munies au préalable d'un contact ohmique d'aluminium sur la face arrière. Les contacts redresseurs d’or, sous forme de plots circulaires de 2 mm de diamètre, ont été évaporés par la suite sur la couche de silicium µc-Si. À l'exception de cette dernière opération, toutes les autres ont été effectuées en salle blanche.

La caractérisation des diodes ainsi réalisées, par des mesures Courant-Tension (I-V) a donné des valeurs du facteur d’idéalité n entre 1,5 et 2 et une hauteur de barrière de potentiel située entre

фB =0.63 eV et фB = 0.97 eV.

Les mesures Capacité-Tension (C-V) à 1MHz, ont permis d'atteindre la concentration de dopage du silicium microcristallin en accord avec les données technologiques de préparation des couches (µc-Si), qui sont d'ailleurs contrôlées par d'autres techniques. Ces caractéristiques donnent également des valeurs élevées du potentiel de diffusion (1.38 eV <Vd< 1.85 eV). Ce qui est observé dans la littérature même pour le silicium monocristallin quand l’interface (or-silicium) a été exposée à l'oxygène de l'air.

Mots clés : silicium microcristallin, diode Schottky, PECVD, LPCVD

1. INTRODUCTION:

De nos jours, le silicium microcristallin apparaît comme l’un des semi-conducteurs les plus prometteurs dans la technologie des cellules solaires et des écrans vidéo plats[1-4] car la maîtrise de son élaboration en couche mince déposée à basse température du substrat, n'est plus à démontrer. Ce qui lui procure un faible coût de revient. Ainsi, la préparation des couches minces de ce matériau à la plus faible température possible, constitue actuellement notre préoccupation essentielle à l’instar de nombreux chercheurs dans le monde. Le but de notre travail est de trouver les paramètres

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 9 technologiques d’élaboration pour avoir des couches (µc-Si) avec les caractéristiques les plus optimales pour une application photovoltaïque. L’intérêt de ce dispositif est bien connu car le contact métal semi conducteur est un dispositif puissant utilisé dans l’étude des matériaux semi-conducteurs.

En effet, la caractérisation d’une telle structure permet d’atteindre des paramètres physiques qui ne peuvent pas être obtenus avec une simple couche de semi-conducteur.

2. MÉTHODES D’ÉLABORATION :

Les couches µc-Si sont déposées par décomposition du silane par la méthode L.P.C.V.D.[7-9] sur des substrats qui sont des plaquettes commerciales de silicium monocristallin de type N surdopées (=0,005cm ) et d’orientation (002). La valeur moyenne de l’épaisseur des couches µc-Si ainsi réalisées est de l’ordre de 400 nm. Ces substrats sont portés à une température de 550°C durant la déposition de la couche de silicium (µc-Si) de type N par décomposition d’un mélange de silane et de phosphine à 0.9mbar sur la face polie des plaquettes. Ces plaquettes ont été munies auparavant, d'un contact ohmique d'aluminium sur la face arrière. Les contacts redresseurs d’or, sous forme de plots circulaires de 2 mm de diamètre, ont été évaporés sous vide (10^-6 Torr) par la suite sur la couche de silicium µc-Si (N). À l'exception de cette dernière opération, toutes les autres ont été effectuées en sale Blanche. La caractérisation des diodes ainsi réalisées, par des mesures Courant-Tension (I-V) et Capacité-Tension (C-V) à 1MHz, a été entreprise. La capacité des diodes a été mesurée avec un pont d’impédance HP4192A à 1MHz.

3. RÉSULTATS ET DISCUSSIONS:

La figure1 illustre un exemple de caractéristiques (I-V) d’une diode Au-c-Si à l’obscurité, sous polarisations directe et inverse et en coordonnées semi-logarithmiques.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

10

^-2

10

^-1 _a ^b

I (A)

V(Volt)

Au-c-Si diode a Courant direct b Courant inverse

Figure 1. Caractéristiques I-V d’une diode Schottky Au-(c-Si): a) -Polarisation directe, b)-Polarisation inverse.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 10 D’une manière générale, dans le cas de la caractéristique directe, on constate que pour des tensions appartenant à l’intervalle de 0,2 à 0,5 Volt, les courbes sont linéaires sur plusieurs décades. Par contre elles présentent des courbures aux basses et aux hautes polarisations : Aux faibles tensions, la courbe (I-V) est normalement décrite par la formule[10-11].

I=IS[exp.(qV/nkT)–1] (1)

où IS est le courant de saturation, V la tension appliquée, n le facteur d’idéalité ; ce qui fait que la courbure vers le bas (V faible) est normale car le chiffre 1 n’est plus négligeable devant l’exponentiel.

Quant à la courbure des hautes tensions, elle est due à l’effet bien connu de la résistance série Rs car la caractéristique (I-V) est gérée par la relation [12-15].

I=IS [exp. (q (V-RsI)/nkT)–1] (2)

Force est de constater également que le courant inverse des diodes croit sensiblement avec la tension de polarisation inverse. Cet effet est gênant pour la qualité du composant car il tend à réduire le facteur de redressement (Fq=Courant direct/Courant inverse pour une tension V donnée). Ce facteur (Fq) permet d’apprécier la qualité de la diode. Plus ce paramètre est grand meilleure est la diode.

Cependant dans notre cas, si le courant inverse paraît assez grand, il n’en demeure pas moins que nous avons observé des valeurs de Fq pouvant aller jusqu’à 500. Par ailleurs, Fq est lié à la résistance shunt (Rsh) de la diode qui n’est rien d’autre qu’une résistance représentant les fuites de courant inverse. Ces fuites ont pour origine essentiellement l’existence de courts-circuits engendrés par les innombrables joints de grains et autres défauts de croissance cristallographique (Pin-holes, porosité etc…).

L’exploitation de la région linéaire des caractéristiques (I-V) nous a permis de déterminer un facteur d’idéalité n entre 1.5 et 2 ainsi qu’une hauteur de barrière фB entre 0.63 et 0.97 eV comme le montre le tableau .1. La diode de meilleure qualité est la diode (D24) étant donné sa hauteur de barrière plus élevée et son facteur d’idéalité proche de l’unité.

Parallèlement à la caractérisation par la mesure courant – tension, nous avons mené l’étude des caractéristiques capacité - tension. Celles-ci nous permettent d’atteindre la concentration des donneurs Nd ainsi que le potentiel de diffusion Vbi. Ce dernier paramètre offre la possibilité de mesurer une seconde fois la hauteur de barrière : Soit фB (C-V) qu’on pourra comparer avec la hauteur de barrière фB (I-V). Des exemples de courbes C^-2=f (V) sont représentés sur (la figure 2). Ces courbes sont relevées pour la majorité entre (-1 et 1Volt). Elles présentent plusieurs parties plus ou moins linéaires.

La première partie située de part et d’autre de l’origine des tensions, nous permet d’atteindre la valeur de Nd (cm^-3) qui correspond au dopage constant de la couche. L’extrapolation de la même droite vers les axes des tensions donne accès à la valeur de Vint à partir de laquelle est déduite la hauteur de barrière [16].

фB(C-V)=Vint+ (EC-EF)/q+KT/q) (3)

Les valeurs de ces paramètres importants pour le contrôle du procédé technologique, sont rassemblées dans le tableau .2.

Tableau.1.Les paramètres électriques de différentes diodes Schottky Au-(µc-Si).

N° des Diodes

Surface (cm^-2)

Js (Acm^-2)

n ФB(I-V) (V)

D23 D24 D25 DM

0,0314 0,0314 0,0314 0,0314

2,83.10^-4 4,14.10^-9 3,88.10^-5 2,1510^-3

2,75 1,82 2,97 1,51

0,57 0,97 0,74 0,63

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 11 La deuxième partie qui se trouve du côté substrat, présente une légère courbure uniforme qu’on a assimilée à une droite. Celle-ci a une pente plus faible indiquant que la concentration des donneurs est plus grande. En effet, les valeurs de la concentration de dopage déterminées dans cette région pour la plupart des diodes, sont situées entre 10¹⁶ et 10¹⁹cm^-3. Ces valeurs suggèrent que la largeur de la couche de silicium microcristallin déplétée par la polarisation inverse a atteint le substrat car effectivement les plaquettes de silicium.

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

1,5 2,0 2,5 80 120 160

Nd=9,8310¹⁶cm^-3

Nd=1,2910¹⁵cm^-3 Nd=5,810¹⁸cm^-3

Nd=1,5410¹⁷cm^-3 Diode 23

Diode 24

V(volt) 1/C2 1016 ( F-2 )

utilisées comme substrat ont une résistivité de 5 10^-3 Ωcm à laquelle correspond une concentration de dopage Nd de l’ordre de 10¹⁹cm^-3. Pour plus de clarté, à l’aide d’un programme informatique développé au laboratoire, le profil de dopage (Nd en fonction de la largeur de déplétion W) a été déterminé à partir des caractéristiques (C-V). Des exemples de ces courbes, relatifs à plusieurs diodes, sont montrés sur la figure 3. Ces courbes montrent effectivement que le dopage de la couche de silicium microcristallin est constant et uniforme (Partie gauche et horizontale des profils) puis il augmente brusquement pour atteindre la concentration de l’ordre de 10¹⁹cm^-3des plaquettes (substrats) de silicium monocristallin (Partie verticale de droite). Le point de concours des deux parties donne effectivement une valeur de w équivalente à l’épaisseur de la couche (µc-Si). Par ailleurs, les résultats du tableau 2 montrent que les valeurs de la barrière calculées par la méthode C^-2-V, sont en général, plus élevées que celles déterminées par la méthode (I-V). On constate que la différence Δ= фB (C-V)- фB (I-V) est assez grande pour être attribuée aux erreurs des mesures. Selon Goodman [16], cet écart Δ est attribué à l’existence d’une couche inter faciale isolante qui entraîne une valeur plus élevée de Vint. L’examen des valeurs de δ montre que l’épaisseur d’oxyde est de 20 nm pour la diode D23 et de 2 nm.

Figure 2. Variation de la capacité (C^-2-V) de diodes Schottky en fonction de la tension inverse V.

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250 300 350 400 450 500 550

0 200 400 600 800 1000

c

b

a a Diode5

b Diode23 c Diode24

Nd (1016 cm-3 )

W (nm)

pour la diode D24. Ces épaisseurs sont acceptables dont la mesure où leur ordre de grandeur est compatible avec l’épaisseur de la couche c-Si qui est de l’ordre de 400nm et également avec la technologie de fabrication des diodes. En effet, mis à part le dépôt des plots d’or qui sont effectués après une mise de la surface supérieure de la couche (µc-Si) au contact de l’oxygène de l’air, toutes les autres étapes de réalisation des diodes sont faites in situ. Par conséquent, une oxydation de la surface de la couche est évidemment attendue à un point où un décapage au plasma d’argon est systématiquement effectué juste avant le dépôt de l’or. Malgré ces précautions, force est de constater que la couche d’oxyde à l’interface persiste encore.

Tableau 2- Paramètres électriques de diodes Schottky Au-µc-Si déduits des caractéristiques (I-V) et (C-V)

Vbi est le potentiel de diffusion, Ec le bas de la bande de conduction, EF le niveau de Fermi, Δ=Ф(C-V)-Ф(I-V) et δ l’épaisseur de la couche isolante.

N°des diodes

N_d (cm^-3)

Vbi (V)

Vint (V)

E_C-E_F (V)

Ф(C-V) (V)

Ф(I-V) (V)

Δ (V)

δ (Å)

D22 7,8 10¹⁵ 1,83 1,82 0,21 2,09 - - -

D23 1,5.10¹⁷ 1,66 1,62 0,13 1,78 0,57 1,15 200

D24 1,3 10¹⁵ 1,63 1,65 0,19 1,87 0,97 0,9 20

D4 7,80¹⁷ 1,63 1,58 0,09 1,70 - - -

D5 5,110¹⁶ 1,38 1,37 0,16 1,54 - - -

Figure 3. Le profil des donneurs Nd en fonction de la profondeur W.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 13 4.Conclusion

Comme il est bien connu que la structure Schottky est un dispositif puissant utilisé pour la caractérisation des matériaux semi-conducteurs, des contacts redresseurs or-silicium microcristallin, de bonne qualité ayant un facteur de redressement de 500 mesuré à une tension de 1Volt, ont été réalisées avec succès et avec une excellente reproductibilité. Les caractéristiques courant-tension de ces jonctions donnent des valeurs du facteur d’idéalité entre 1,5 et 2 et une hauteur de barrière comprise entre 0,63 et 0.97 eV. Ce dernier paramètre a été trouvé plus grand quand il est mesuré par la caractéristique capacité-tension. L’écart entre ces deux types de mesure a été attribué à l’existence d’une couche isolante interfaciale (probablement de l’oxyde de silicium) comme l’ont suggéré de nombreux auteurs sur des études similaires avec du silicium monocristallin. Cette technique de mesure capacitive nous a permis également de déterminer la concentration de dopage dont les valeurs sont attendues car elle est fixée par la procédure expérimentale avec le débit de phosphine injectée dans le plasma gazeux. Le profil de dopage de ces couches a été aussi dégagé et subtilement utilisé pour atteindre de cette façon originale encore une fois l’épaisseur de la couche de c-Si bien qu’elle soit une donnée technologique fournie avec les échantillons et qui plus est calculée avec les spectres de transmission optique.

5.RÉFÉRENCES.

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