Investigación

 

Estructura y morfología de películas de pm–Si:H crecidas por PECVD variando la dilución de diclorosilano con hidrógeno y la presión de trabajo

 

C. Álvarez–Macíasª, J. Santoyo–Salazar^b, B.M. Monroyª, M.F. García–Sánchezª, M. Picquart^c, A. Ponce^d, G. Contreras–Puente^e y G. Santana^a,b,*

 

ª Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Universidad No. 3000, Col. Ciudad Universitaria, Apartado Postal 70–360, Coyoacán, México, D.F., 04510, México, e–mail: gsantana@iim.unam.mx.

^b Departamento de Física, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal 14–740, México, D.F. 07000, México.

^c Departamento de Física, Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa, Apartado Postal 55–534, México, D.F. 09340, México.

^d Kleberg Advanced Electron Microscopy Center Department Physics & Astronomy University of Texas at San Antonio One UTSA, San Antonio, TX. 78249.

^e Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional, Edif. 9, UPALM, Col. Lindavista, 07738.

 

Recibido el 20 de enero de 2011
Aceptado el 1 de abril de 2011

 

Resumen

El silicio polimorfo hidrogenado (pm–Si:H) es un material atractivo para la industria fotovoltaica al tener propiedades optoelectrónicas similares al silicio amorfo hidrogenado (a–Si:H), actualmente utilizado, y mejor estabilidad ante exposición prolongada a la radiación solar. En este trabajo se reportan los resultados experimentales de caracterizaciones estructurales y morfológicas de películas de pm–Si:H crecidas con diferentes condiciones de depósito en términos de tamaño de grano y fracción cristalina, obtenidos por espectroscopía Raman, y el análisis de la rugosidad superficial por microscopía de fuerza atómica. Las películas fueron obtenidas con la tecnica PECVD bajo condiciones de generación de nanocristales de silicio embebidos en una matriz de silicio amorfo. El análisis estructural confirma que el tamaño y la densidad de los nanocristales es sensible tanto a cambios en la presión de la cámara del reactor (250 y 500 mTorr) como a variaciones en la dilución del gas precursor de silicio (SiH₂Cl₂) en hidrógeno (H₂) (tazas de flujo de 25, 50, 75 y 100 sccm). El análisis morfológico mostré) que para 25 sccm de H₂ hay una diferencia de rugosidad RMS de 8 nm entre ambas presiones, mientras que para los demás flujos de H₂ se obtuvo la misma rugosidad RMS (entre 2 y 3 nm). Los resultados muestran que mientras el tamaño y la densidad de los nanocristales se modifican considerablemente con las condiciones de depósito, la rugosidad no se modifica considerablemente a diluciones de diclorosilano mayores a 25 sccm, lo que permite obtener materiales diferentes con interfaces de buena calidad para la aplicación del material en dispositivos fotovoltaicos.

Descriptores: Silicio polimorfo hidrogenado; nanocristales; AFM; Raman.

 

Abstract

Hydrogenated polymorphous silicon (pm–Si:H) is an attractive material for applications in the photovoltaic industry as it has optoelectronic properties similar to amorphous silicon (a–Si:H), which is the material currently used, and better stability to prolonged exposure to solar radiation. In this work we report experimental results of structural and morphological characterization of pm–Si:H films in terms of grain size and crystalline fraction obtained by Raman spectroscopy studies and the analysis of surface roughness with atomic force microscopy. The films were obtained by PECVD under conditions of generation of nano–crystalline silicon inclusions embedded in an amorphous silicon matrix. Changes in pressure of the reactor chamber (250 and 500 mTorr) and variations in the dilution of the silicon precursor gas (SiH₂Cl₂) with hydrogen (H₂) (flow rates of 25, 50, 75 and 100 sccm) modified the nanocrystals size and the crystalline fraction. The morphological analysis showed that for 25 sccm of H₂ there is a difference of 8 nm in the RMS roughness between both pressures, while for the other flows of H₂ the same RMS roughness (2 to 3 nm) was obtained. These results are very important because the optoelectronic properties of materials depend on the size and density of nanocrystals and the roughness analysis helps determine the growth conditions to produce high quality interfaces for application of the material in photovoltaic devices.

Keywords: Hydrogenated polymorphous silicon; nanocrystals; AFM; Raman.

 

PACS: 68.35.Ct; 68.37.Ps; 73.61.Jc; 78.67.Bf; 81.07.Bc; 81.15.Gh

 

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Agradecimientos

Agradecemos el apoyo financiero parcial de esta obra a DGAPA–UNAM PAPIIT: Proyectos IN116409–2 y IN115909–2, a CONACyT México con el proyecto 48970 y al ICyTDF con el proyecto PIFUTP08–143. Los autores agradecen al Dr. JC Alonso y el Dr. A. Ortiz por el uso de laboratorio durante la preparación de muestras y al Dr. A. Remolina Millan por su contribución en la preparación de las muestras. C. Álvarez y M. F. García agradecen los apoyos financieros por CONACyT a través de la beca doctoral CVU 165872 y de la beca posdoctoral ICyTDF, respectivamente.

 

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