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Submitted on 1 Jan 1982
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INFLUENCE DE LA TECHNIQUE DE
PREPARATION ET DE LA TEMPERATURE DE MESURE SUR LES PROPRIETES OPTIQUES DES
COUCHES MINCES DE SILICIUM AMORPHE
J. Berger, B. Yous, J. Ferraton, A. Donnadieu
To cite this version:
J. Berger, B. Yous, J. Ferraton, A. Donnadieu. INFLUENCE DE LA TECHNIQUE DE PREPA-
RATION ET DE LA TEMPERATURE DE MESURE SUR LES PROPRIETES OPTIQUES DES
COUCHES MINCES DE SILICIUM AMORPHE. Journal de Physique Colloques, 1982, 43 (C9),
pp.C9-339-C9-342. �10.1051/jphyscol:1982964�. �jpa-00222493�
INFLUENCE DE LA TECHNIQUE DE PREPARATION ET DE LA TEMPERATURE DE MESURE SUR LES PROPRIETES OPTIQUES DES COUCHES MINCES DE SILICIUM AMORPHE
J.M. Berger, B. Yous, J.P. Ferraton et A. Dormadieu
Laboratoire de Spectroscopie II, Equipe de Recherche Associée au C.N.R.S.
n° 257, Université des Sciences et Techniques du Languedoc, Vlace Eugène Bataillon, 34060 Montpellier Cedex, France
Résumé. - Les propriétés optiques de couches minces de silicium amorphe déposées par décomposition en phase vapeur et décharge luminescente du silane ou par pulvé- risation cathodique radiofréquence sont déterminées à partir des mesures de la transmission et du pouvoir réflecteur dans un domaine d'énergie compris entre 0,5 et 5,5 eV. Les mesures sont faites à diverses températures comprises entre 95 et 723 K. Quelle que soit la technique de dépôt lorsque la température de mesure T devient supérieure à la température du substrat T des variations irréversibles du gap optique E (T ) et de l'indice de réfraction n (T ) se produisent. Dans le domai-
g m o m
ne de température étudié n (T ) varie linéairement avec E (T ) ; la pente de la droi-
o m g m r
te décroît linéairement avec la concentration en hydrogène. Quelle que soit la tech- nique de dépôt et la façon dont l'hydrogène s'incorpore dans la matrice de silicium la concentration en hydrogène semble être le facteur prépondérant dans la façon dont varie l'indice de réfraction statique avec le gap optique.
Abstract. - Optical properties of amorphous silicon films prepared by chemical va- por deposition, glow discharge and sputtering RF were determined from reflectance and transmittance measurements in the energy range 0.5 to 5.5 eV. The measurements were done at various temperature T in the range 95 to 723 K. Whatever the deposi- tiontechnics when T becomes higher than T (substrate temperature) irreversible
m s
variations occur for both optical gap E (T ) and static refractive index n (T ) . g m o m In the T range n (T ) varies linearly with E (T ) : the slope of the straight line
m " o m J gm r
decrease linearly with hydrogen concentration. Whatever the deposition technic and the manner of incorporation of hydrogen in the Si matrix, hydrogen concentration seems to be the preponderant parameter between static refractive index and optical gap.
1. Introduction. - L'influence de la concentration en hydrogène |H| sur les proprié- tés optiques des couches minces de silicium amorphe a fait l'objet de nombreuses pu- blications. Les couches étudiées dans cet article présentent des concentrations en hydrogène variant de moins de 1 at.% a 19 at.Z , l'hydrogène inclus étant fonction du procédé de fabrication ou de la posthydrogénation. Les valeurs du gap optique E sont comprises entre 1,3 et 1,9 eV , tandis que l'indice statique n évolue entre 2,9 et 3,9.
Les variations de E et n en fonction de la température de mesure T sont cohé-
g o m rentes. Dans le domaine de température où les effets sont réversibles, T < T , (T
r ' m s' s
température du substrat pendant la fabrication), l'indice de réfraction statique n est une fonction linéaire du gap optique (1,4 < E < 1,8 eV). Les points expérimen- taux se placent bien par rapport à la courbe théorique déduite du modèle de BAHL et BHAGAT ( 1 ) .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982964
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2. Méthode expérimentale.
2.1 Echantillons. - Nous disposons de trois catégories d'échantillons préparés par différents procédés à des températures de substrat différentes. Nous vrésentons les résultats d'un échantillon caractéristique de chaque catégorie.
L'échantillon A a été déposé par CVD sur substrat chauffé à 600°C au labora- toire du Professeur SERAPHIN à Tucson, sa teneur en hydrogène est inférieure à 1%(2).
L'échantillon B a été déposé par glow discharge (GD) à 350°C au laboratoire du Professeur WEISER à Marburg, sa teneur en hydrogène est de l'ordre de 8 % (3).
L'échantillon C a été déposé par sputtering RF à 250°C au laboratoire du Groupe des Phases Condensées du CNRS Grenoble (Pr. DENEUVILLE). Une posthydrogénation a porté sa teneur en hydrogène de 13 à 19 at. % .
2.2 Mesures optiqugç - Les mesures optiques ont été effectuées de 0,5 à 5,5 eV en fonction de la température dans des dispositifs décrits précédemment (4). Pour chaque température de mesure T comprise entre 95 et 723 m K le gap optique E (T " ,"R m ) est déterminé par extrapolation de la partie linéaire de la fonction (aE) ' I L - = f (E) dans laquelle a représente le coefficient d'absorption et E l'énergie des photons incidents.
L'indice de réfraction statique n (T n m ) est déduit des mesures de l'indice de réfraction auquel on applique le modèle de Wemple et Didomenico (5). Les variations du gap optique et de l'indice de réfraction sont provoquées par les variations de la température de mesure Tm. Chaque mesure à une température Tm, différente de la température ambiante Ta, est précédée et suivie d'une mesure à cette température de façon à mettre en évidence d'éventuels effets irréversibles.
2.3 Résultats
ex péri ment sa^ -
La figure 1 représente les variations du gap op- tique E (T ) avec la température de mesure. On constate que la courbeA relative au8 m
-
silicium amorphe préparé par CVD à 600°C présente des variations réversibles. Les courbes B et C relatives au silicium amorphe hydrogéné préparé par GD et par sputte- ring RF présententdes variations réversibles lorsque Tm < Ts puis irréversibles au-
... -
delà. La figure 2 représente les variations de l'indice de réfraction statique n (T )
O m
Fig. 1 Variation du gap optique en fonction Fig. 2 Variation de l'indice de ré- de la température de mesure. fraction statique en fonction
de la température de mesure.
versibles et irréversibles correspondent aux mi- mes domaines de température et ceci quel que soit le mode de fabrication.
L'ensemble des valeurs numériques ayant ser-
1
vi à tracer ces courbes sont reportées dans le l
tableau 1. 13.7
I
l
3 Discussion. - Les variations de l'indice de 312' réfraction statique avec le gap optique dépendent de la pente y de la partie linéaire de la fonction
3s (aE)IJ2 = f (E) et d'une énergie Eh caractéristique de la partie efficace de la bande de valence qui, comme nous l'avons montré dans une précédente com- munication (6) est indépendante de la concentra- tion en hydrogène et de la température de mesu- re T Par intégration de la relation de BAHL
O ;
, , , +Y ; k")
1 7;5 j 6 1,7 7,8E
m. 9
et BHAGAT nous obtenons une expression mathéma- Fig. 3 Variation de l'indice de tique de l'indice de réfraction statique en fonc- réfraction statique en
tion du gap optique 2 fonction du gap optique.
n = A ~ L O ~ E -
3
+1-1
+ K dont les cons- g Eh 2 2tantes sont déterminées Eh à partir d'un
point expérimental. pente de
La représentation graphique de cette A n = f(Eg) expression dans le domaine d'énergie 1,4 -
A"
1,8 eV (fig. 3) se rapproche de celle d'une droite ; on remarque que quel que soit le
~ r o c é d é de fabrication les points expéri-
-1,O-
mentaux se distribuent bien sur les droi- tes théoriques. Il semble que dans ce do- maine d'énergie l'indice de réfraction statique varie linéairement avec le gap op- tique ; la pente de la droite dépend du procédé de préparation et augmente en va- leur absolue lorsque la concentration en hy-
drogène diminue. La concentration en hydro-
'WO
I lgène joue un rôle prépondérant dans la fa-
10
çon dont l'indice de réfraction statique va-
20&;
rie avec le gap optique ; la figure 4 montre Fig. 4 Pente de la droite no = f(E ) une variation linéaire de cette pente avec en fonction de la concentrag la concentration en hydrogène. tion en atomes d'hydrogène.
Une étude antérieure (6) des variations
du gap optique avec la concentration en hydrogène à température ambiante nous incite à penser que les variations irréversibles du gap optique et de l'indice de réfrac- tion statique peuvent être attribuées à un départ d'hydrogène. Dans le cas du a:Si-H déposé par sputtering RF
( I H I
= 19 at.%) on constate sur la figure 3 que les points expérimentaux correspondant à des variations irréversibles(x,$-)
s'écartent de la droite théorique et présentent une pente dont la valeur absolue est légèrement plus importante. Ce comportement confirme l'influence de la concentration en hydrogène sur la pente de la courbe n = f(Eg).Les effets de la technique de fabrication se manifestent par des variations de l'indice de réfraction statique pour une même valeur du gap optique.
Pour des échantillons déposés par une même technique de fabrication l'indice de réfraction statique augmente lorsque la teneur en hydrogène diminue. La comparai- son des trois espèces d'échantillons déposés par différentes techniques de prépara- tion montre que ce résultat est compatible pour les échantillons déposés par sputte- ring RF et GD ; il n'est pas de même pour les échantillons déposés par CVD que nous
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avons étudiés. En effet pour ces échantillons on a constaté l'existence au-delà de 2 eV d'un rayonnement diffus dû à la rugosité de la surface. Cet état de la surface se traduit par une diminution du pouvoir réflecteur et donc de l'indice de réfrac- tion statique mais n'influence pas le gap optique. La technique de préparation devra permettre d'obtenir des surfaces non diffusantes si l'on veut effectuer des compa- raisons valables des indices de réfraction statique.
Tableau 1
4. Conclusion. - Dans cette étude nous avons pû mettre en évidence des variations cohérentes de E (T ) et n (T ) ainsi que des variations linéaires de l'indice stati-
g m O m
que en fonction du gap optique, la pente de ces droites en valeur absolue étant d'au- tant plus importante que la concentration en hydrogène est plus faible. Dans le do- maine 1,4 eV < E < 1,8 eV, la fonction n = f(E ) peut être représentée par une
g g
droite en bon accord avec les résultats expérimentaux ; la pente de cette droite présente une variation linéaire en fonction de la concentration en hydrogène
\HI.
Pour un gap optique donné les variations de l'indice statique n dépendent des conditions de fabrication qui influencent l'état de la surface des couches minces.
Références
(1) BAHL S.K. et BHAGAT S.M., J. non-cryst. Solids
17
(1975) 409.(2) BOOTH D.C., ALLRED D.D. et SERAPHIN B.O. Sol. Energy Mater. 2 (1979) 107.
(3) DONNADIEU A., YOUS B., BERGER J.M., FERRATON J.P. and ROBIN 3. J. Phys. (Paris) Colloq. Suppl. 42 (10) (1981) C4 655.
(4) DIVRECHY A. ,
YOE
B., BERGER J .M.,
FERRATON J. P.,
ROBIN J. et DONNADIEU A., Thin Solid Films 78 (1981) 35.(5) WEMPLE S.H. et DIDOMENICO M., Phys. Rev. B 3 (1971) 1337.
(6) FERRATON J.P., ANCE C. et DOSNADIEL1 A., Thin Solid Films 78 (1981) 207
