universidade de saa paulo institutodefislca … · 2009-06-10 · aos meus colegas do departamento...

UNIVERSIDADE DE sAa PAULO

INSTITUTO DE FislCA DE SAO CARLOS

PRODUCAO E CARACTERIZACAO DE

FllMES FINOS DE SlliclO AMORFO

HIDROGENADO POR DESCARGA

lUMINESCENTE A 60 Hz

Jose Fernando Fraga/Iiof::-

Tese apresentada ao Instituto de

Fisica de Sao Carlos, para Obten~ao

do Titulo de Ooutor em FisicaBasica.

Orientador: Prof. Dr. Vanderlei Salvador Bagnato

Departamento de Fisica e Ciincia dos MateriaisSio Carlos - 1994

I FSC Universidade de Sao PauloInstituto de Fisica de Sao Carlos Fone(0162) 72-6222

Fax (0162) 74-9151

Av. Dr. Carlos Botelho, 1465Caixa Postal 369CEP 13560-970 • Sao Carlos· SPBrasil

KEKBROS DA COKISSAO JUlGADORA DA TESE DE DOUTORADO DE ~8S!~ER"'BB ~iIiat~IAPRESEMTADA AOIMSTITUTO DE FISICA DE SAD CARLOS. DA UN IYERS IDADE DE SAD PAUlO. Eft28/10/1994

proi.Dr.F~an[S[odas Cha9~~u~:

f\J~"", m-~\.~.-~~-- -------------------------Pro lair AntonioChitta

~,.--.. -

________:::~_~~_~__:~__j__l~

Ao meu pai Vicentino (in memorian),

a minha mae Aurora, aos meus irmaos,

e aos meus amores Carmen Lucia e Rafael.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Vanderlei Bagnato, por todo apoio e

amizade dedicados ao longo de todo 0 trabalho.

Ao sempre amigo e companheiro Lino, sem 0 qual este trabalho nao

teria chegado ao fim. Nao existem palavras para agradecer sua dedica980 e

amizade.

Aos companheiros de sala, em especial ao Gustavo e ao Norio, pela

presen~a nos momentos de descontra980 e estudo.

Aos colegas e professores do Grupo de Optica pelo apoio recebido.

To my american fellows, Greg Horner and Bob Backes.

To my "american family", Jim Bernard, Sarah Kurtz and little

Benjamin for the friendship along the six monhs I lived at Golden.

To my NREL fellows, specially Dick Crandall, Simon Tsuo, Howard

Branz, and Mellody, for the support along my stage at NREL.

Aos pesquisadores lituanos Vytas Grivickas e Jonas Kolenda pelo

muito aprendido durante a permanencia deles no IFSC-USP.

Aos meus colegas do Departamento de Fisica da UNESP-Bauru,

especial mente ao Prof. Humberto Silva e Prof. Carlos Fonzar pela amizade ao

longo do ano e meio convivido naquela institui9ao.

A minha cara amiga Rita David, pela convivencia nas viagens

semanais ate Bauru.

Aos novos colegas do Departamento de Fisica da UDESC-Joinville,

pelo apoio crucial nos ultimos meses deste trabalho.

E, at last, but not least, a minha esposa Carmen Lucia, e ao meu

filho Rafael, pela compreensao nos inumeros momentos em que, pela for98 do

trabalho, eu tive que estar ausente.

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oZaZoZiUdSp TdTfdlboSadUSp CCC

SmZiVdUZ C CDB

Figura 2.1. Modelo de DeposiCfaode a-Si:H a partir da Descarga

Luminescente de Silana. 10

Figura 2.2. Modelo de Reayaes que ocorrem na Superficie do

Substrato envolvendo Radicais. 11

Figura 3.1. Reator com Geometria de Triodo: a) com 0 Substrato no

Terceiro Eletrodo; b) com a Grade do Terceiro Eletrodo Aterrada. 17

Figura 3.4. Esquema das Grades usadas como Eletrodos Ativos no

Processo de Deposi~ao. 31

Figura 3.8. Curva de Resposta Temporal da Temperatura no Porta-

Substrato para Varias Correntes Eletricas que passam Atraves da

Resistencia usada para aquece-Io. 37

Figura 3.9. Vista Completa do Reator de Descarga Luminescente a 60

Hz usado para a Produyao de a-5i:H. 41

Figura 3.10. Vista Esquematica do Reator de Descarga Luminescente

a 60 Hz, com Destaque para 0 Painel de Operayoes. 42

Figura 4.1. Esquema Experimental usado para medir a

Fotocondutividade. 50

Figura 4.4. Esquema Experimental para medir 0 Comprimento de

Difusao Ambipolar pela Tecnica SSPG (Steady State Photocarrier

G~~m· ~Figura 4.5. Vista Esquematica da Alimentayao Eletrica (Fonte DC) e

Leitura via Lock-in para a Medida do Comprimento de Difusao

Ambipolar. No Desenho vemos com Enfase 0 Ponto de Incidimcia dos

dois feixes Laser, onde Eventualmente eles se interferem, criando uma

Grade de Periodo A, Perpendicular a Direyao x. 70

Figura 4.6. Medida da Condutividade no Escuro e da

Fotocondutividade em Amostras depositadas a 60 Hz em Funyao da

Pressao de Deposiyao: a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para

Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a densidade de

potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a temperatura do substrato usada

foi de 150 ac. 73

Figura 4.7. Medida da Condutividade no Escuro e da

Fotocondutividade em Amostras depositadas a 60 Hz em FunC;Boda

Temperatura do Substrato: a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para

Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a densidade de

potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a pressBo de deposiC;BOusada foi

de 0,5 torr. 74

Figura 4.8. Medida da Energia de Ativac;ao da Condutividade no

Escuro de Amostras depositadas a 60 Hz em Func;aoda Pressao de

Deposic;ao:a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para Fluxo de SiH4

de 100 ml/min. Em ambos os casos a densidade de potemciausada foi

de 0,01 W/cm2, e a temperatura do substrato usada foi de 150 ac. 75

Figura 4.9. Medida de Energia de Ativac;ao da Condutividade no

Escuro de Amostras depositadas a 60 Hz em Func;aoda Temperatura

do Substrato: a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para Fluxo de

SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a densidade de potencia

usada foi de 0,01 W/cm2, e a pressao de deposic;ao usada foi de 0,5

torr. 76

Figura 4.10. Medida do Fator y de Amostras depositadas a 60 Hz em

Func;aoda Pressao de Deposic;ao:a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min;

b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a densidade

de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a temperatura do substrato

usada foi de 150 ac. 77

Figura 4.11. Medida do Fator y de Amostras Depositadas a 60 Hz em

Func;ao da Temperatura do Substrato: a) para Fluxo de SiH4 de 10

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ml/min; b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a

densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a pressao de

deposic;aousada foi de 0,5 torr. 78

Figura 4.12. Espectro de Transmissao Caracteristico do a-Si:H na

Regiao de Luz Visivel. a Desenho Mostra Todas as Regi6es de

Interesse discutidas no Texto. 82

Figura 4.13. Medida do Gap 6ptico de Amostras depositadas a 60 Hz

em Funyao da Pressao de Deposiyao: a) para Fluxo de SiH4 de 10


densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a temperatura do

substrato usada foi de 150 ac. 84

Figura 4.14. Medida do Gap Optico de Amostras depositadas a 60 Hz

em Func;aoda Temperatura do Substrato: a) para Fluxo de SiH4 de 10


densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a pressao de

deposiyao usada foi de 0,5 torr. 85

Figura 4.15. Dispositivo Experimental montado para a Tecnica CPM

(Constant Photocurrent Method). 89

Figura 4.16. Espectro do Coeficiente de Absoryao Caracterisitico do a-Si:H obtido pela tecnica CPM (Constant Photocurrent Method) na

Regiao do Infra-Vermelho Pr6ximo. 90

Figura 4.17. Espectro do Coeficiente de Absoryao obtido pela Tecnica

CPM (Constant Photocurrent Method): a) para Amostra depositada a

60 Hz com Fluxo de SiH4 a 10 mllmin; b) para Amostra depositada a

60 Hz com Fluxo de SiH4 a 100 ml/min; c) para Amostra depositada a

RF. No caso das amostras depositadas a 60 Hz a pressao de

deposi980 usada foi de 0,5 torr, e a temperatura do substrato 170 °e. 96

Figura 4.18. Medida do Numero de Liga90es SiH e SiH2 de Amostras

depositadas a 60 Hz em Funyao da Pressao de Deposi98o: a) para

Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em

ambos os casos a densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a

temperatura do substrato usada foi de 150 °e. 98

Figura 4.19. Medida do Numero de Ligac;oesSiH e SiH2 de Amostras

depositadas a 60 Hz em Func;aoda Temperatura do Substrato: a) para

Fluxo de SiH4 de 10 ml/min; b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em

ambos os casos a densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a

pressao de deposic;aousada foi de 0,5 torr. 99

Figura 4.20. Espectro de Transmissao no Infra-Vermelho Distante: a)

para Amostra depositada a 60 Hz com Fluxo de SiH4 a 10 ml/min; b)

para Amostra depositada a 60 Hz com Fluxo de SiH4 a 100 ml/min; c)

para Amostra depositada a RF. Nas amostras depositadas a 60 Hz a

densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, a temperatura do

substrato foi de 170 °e, e a pressao de deposic;aofoi de 0,5 torr. 100

Figura 4.21. Medida da Taxa de Deposic;aode Amostras depositadas

a 60 Hz em Func;aoda Pressao de Deposic;ao:a) para Fluxo de SiH4

de 10 ml/min; b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os

casos a densidade de potencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a

temperatura do substrato usada foi de 150 °e. 102

DdcpmU2,00, gWV[VS VS rShS VW VWa`d[l` VW S^`decSd VWa`d[eSVSd

S HB cj W^ af_UOS V̀S rW^aWcSefcS V` pfTdecSe`NS0 aScS a]fh` VW

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VWa`d[eSV`d S oa: CBG

<presentamos neste trabalho uma tecnica altemativa para a obten7ao de filmes

finos de silicio amorfo hidrogenado 'a+Ri8G(, Mos depositamos a+Ri8Gem urn sistema

de deposi7ao que utiliza descarga luminescente a baixas frequencias '4. Gz(, Oara

tanto* nos projetamos todo . reator para que este objetivo pudesse ser atingido,

Ns filmes obtidos por nos mostram propriedades opticas e eletronicas bastante

proximas aquelas dos filmes produzidos pela tecnica convencional de descarga

luminescente a nidio+frequencia '/1*34 LGz(, < temperatura do substrato otima para a

tecnica de descarga lurninescente a baixas frequencias esta na faixa /3.+/5. ©B*em

tomo de /..©B menor do que aquela usada para radio+frequencia,

Meste trabalho nos apresentamos medidas das propriedades dos fihnes*

incluindo condutividade no escuro* fotocondutividade* comprimento de difusao

ambipolar* absor7ao no infra+vermelho* eam optico* e densidade de defeitos de niveis

profundos, Oara realizar parte destas medidas* nos construimos sistemas experimentais

de caracteriza7ao exclusivos para . a+Ri8G,

Hnthis work we present an alternative technique for producing hydrogenated

amorphous silicon thin films 'a+Ri8G(, Ve deposited a+Ri8G in a low+frequency '4.

Gz( glow+discharge deposition system, Eor this purpose* we designed completely the

She films we produced show electronic and optical properties nearly equivalent

to those of films prepared by the conventional radio+frequency '/1*34 LGz( glow+

discharge technique, She optimal substrate temperature for the low+frequency glow+

discharge technique is /3.+/5. ©B*about /..©B lower than that at radio+frequency,

Hn this work* we report measurements of film properties* including dark

conductivity* photoconductivity* ambipolar diffusion lenght* infrared absorption*

optical band gap* and deep defect density, So do these measurements* we assembled

experimental systems used to characterize a+Ri8G,

aQ l P 4 RDQU%c988NCD AHAK-NSEBZdTX14 6 4 N S444 ss _s1 ff41 6f466666666666 f6666664L r- NPN GF66666666446,Z661666666s444Is6s66446666cHHH44646666cHe

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LPUSQEVDBQ

Rilicio amorfo hidrogenado 'a+Ri8G(e suas ligas tern sido largamente usado

como fGme fino semicondutor em aplica7.es tais como cBlulas solares fotovoltaicas*

fotoreceptores para eletrofotografia* transistores de filmes fmos para . controle de

mostradores de tela plana* e sensores de imagens, Dste material tern elevado

coeficiente de absor7ao optico na regiao da luz visivel e boas propriedades

semicondutoras* quer intrinseco*quer quando dopado, Las a sua principal vantagem e

que . a+Ri8Gpode ser facilmente depositado*a baixo custo*sobre substratos de quase

qualquer forma e tamanho pelo metodo de deposi7ao a partir de vapor quimico

assistido por plasma "mhaoia aoogopdcbfdigbah samln cdmlogpglk , ASC'-

< deposi7ao a partir de vapor quimico assistida por plasma e tambem chamada

deposi7ao a descarga luminescente "ehlt cgobfaned' por causa da visivel

luminosidade* que e principalmente resultante da de+excita7aodas especies atomicas e

moleculares contidas no plasma, < descarga luminescente e sustentada por processos

inehisticos envolvendo 9 impacto de eletrons sobre as especies do plasma* que sao

iniciados por eletrons que adquirem energia suficiente do campo eletrico como

resultado de sucessivas colisoes elasticas com as moleculas gasosas, Puando urn

plasma de silano 'RiG2( e usado* . processo inelastico conduz a especies neutras

reativas* tais como RiG*RiGz* RiG1* RizG4* G e Gw) e especies ionizadas* tais como

RiG)*RiGz)* RiG1)* e assim por diante,

< descarga luminescente tern se tornado a tecnica mais comum para a deposi7ao

de a+Ri8Ge dispositivos para aplica7.es fotovoltaicas, < decomposi7ao assistida por

plasma reduz a temperatura exigida para 9 processo de deposi7ao9 esta menor

temperatura do substrato torna possivel a incorpora7ao de quantidades suficientes de

hidrogenio durante a deposi7ao, Rob certas condi7.es* 9 bombardeamento do filme por

ions induzidos por plasma durante a deposi7ao tende a melhorar a qualidade do filme,

Ncampo eletrico usado para iniciar . plasma normalmente e urn campo de

nidio+frequencia 'QE( e eventualmente usa+se urn campo de corrente continua 'CB(, 9

objetivo deste trabalho e demonstrar* sob certas condi7.es de press6,o de deposi76,. e

temperatura do substrato* a viabilidade da obten76,o de filmes fmos de a+Ri8G com

qualidade eletronica usando urn campo eletrico altemado de 4. Gz, Ns resultados

experimentais mostram que as condi7.es de deposi76,. usando urn campo eletrico a 4.

Gz* onde obtivemos amostras com excelentes propriedades envolvem temperaturas de

substrato cerca de /..©B abaixo das temperaturas usando+se QE, lsto pode permitir .

uso desta tecnica para depositar filmes fmos de a+Ri8Gem substratos altemativos* que

sejam sensiveis a temperaturas acima de /5. B, Tma outra vantagem evidente do uso

de urna tens6,o <B de 4. Gz para produzir . plasma e que podemos toma+Ha

diretamente da rede eletrica que assiste . laborat4rio,

< Re76,. 0 traz urn pequeno hist4rico da pesquisa do a+Ri8Gobtido por descarga

luminescente, Meste capitulo procuramos dar urna vis6,o geral do processo* destacando

os mecanismos envolvidos na deposi76,. de filmes de a+Ri8G,

Ma Re76,. 1 descrevemos . reator de descarga luminescente desenvolvido em

nosso laborat4rio, Mosso objetivo foi a substitui76,. da fonte usual de radio+frequencia

por urna fonte <B a 4. Gz* ate ent6,o n6,o estudada9 com isto pretendemos dar urna

contribui76,. no senti do de introduzir esta nova tecnica de obten76,. deste material

eletronico, Bomo introdu76,. ao projeto do reator* listamos os principais parametros

envolvidos na tecnica e seus possiveis efeitos sobre as propriedades fmais do filme,

Ma Re76,o2 descrevemos com detalhes as tecnicas usadas para a caracteriza76,.

dos filmes fmos de a+Ri8G,Cuas foram as linhas gerais desta caracteriza76,o8

i( . estudo de propriedades 4pticas* tais como absNr76,. no infra+vermelho e

absNr76,. no visive/* em fun76,. das condi7.es de deposi76,.9

ii( . estudo de propriedades eletricas fundamentais* tais como condutividade no

escuro e fotocondutividade* em fun76,. das condi7.es de deposi76,.9

iii( . estudo de tecnicas e/etro+4pticas especificas para . a+Ri8G*para as

amostras com condi7.es 4ptimas de deposi76,.9 descrevemos com detalhes as tecnicas

conhecidas como Alkopakp Oflplbrnndkp Ldpflc) usada para determinar a densidade

de defeitos presentes no eam de energia* e Rpdacv RpapdOflplbrnndkp Fnapgke) usada

para determinar . comprimento de difusao dos portadores no semicondutor,

<inda na Re~ao 2* apresentamos os resultados obtidos em filmes produzidos

com nosso reator, Oara que tivessemos urna boa ideia a respeito da qualidade dos

nossos filmes* fizemos urna compara~ao das propriedades de nossos filmes com

resultados em filmes produzidos em urn reator do tipo PE,F.lt Cgobfaned obtidos no

Mational Qenewable Dnergy Kaboratory 'MQDK(*BN*TR<,

Ma Re~ao 3 apresentamos urn quadro resurno das propriedades de filmes finos

de a+Ri8Gdepositados a 4. Gz* comparando+as com as de filmes obtidos de forma

convencional,

Einalmente*na Re~ao4 apresentamos as conclusoes que chegamos ao longo da

realiza~ao deste trabalho*bem como sugestoes para a continuidade da pesquisa,

F643C 0

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UeWUgtUXUUXbWbhgUgXh-lYWhf WnbXUXhjnUgmbXUXYlfYXbXUlXY\hl\fU YXbVhkUgUUfblmnkU_UlhlUgh kYUmhkiUkUhVmYkUfhlmkUlXhmbih8 hn Xhmbih9:kYliYWmboUfYgmY.

Cf 1976, U ikbfYbkUWYFneUlheUknlUgXh lbebWbhUfhk\h abXkh_YgUXh\hb

\UVkbWUXUghl eUVhkUm6kbhlXUMA<t. ClmY\UmhYXb_ghXYghmU,cUjnY YeYUgngWbUnfU

obUVbebXUXYikUmbWUiUkUhl \befYl \fhl XYU-Nb:E.< YlmknmnkUXYlmUWYeneUlheUk

YgoheobU,ikbfYbkhUXYihlbtUhXYUe_nfUl WYgmYgUlXYUg_lmkhglXYU-NbXhiUXhWhf

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< rtodq_z_n cd snc_r drs_r chehbtkc_cdr , _ a_hw_dehbhdmbh_c_r bdktk_r rnk_qdr+

_ a_hw_ pt_khc_cd c_r khf_r+ _ cdfq_c_x_n hmctyhc_ onq kty+ _r a_hw_r s_w_r cd

cdonrhx_n+ d _ odptdm_ dehbhdmbh_cd cno_fdl , oncd drs_q m_ ldkgnq_ cnr oqnbdrrnr

cd cdonrhx_n- Drsdr cdudl rdq bnmctyhcnr mn rdmshcn cd ldkgnq_q / bnmsqnkdc_

bnlonrhx_n pthlhb_ d c_ pt_mshc_cd cd cdedhsnr cn ehkld cdonrhs_cn- / ldsncn tr_cn

m_ cdonrhx_n d nr o_q_ldsqnr tr_cnr mn oqnbdrrn cdsdqlhm_l _r oqnoqhdc_cdr cn Ba

Rh9G+s_hrbnln chrsnqxndr m_r khf_xndr+cdedhsnronmst_hr+d cdedhsnr m_lhbqndrsqtstq_-

Onq rt_ udy+ drsdr cdedhsnr cdsdqlhm_l _r oqnoqhdc_cdr d0dsq5mhb_rcnr ehkldr+ s_hr

bnln drs_cnr cd cdedhsnoqdrdmsdrdl drs_cnr oqnetmcnr d mnpi~ cd dmdqfh_+nr pt_hr

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r_n mdbdrr_mnr o_q_ qdk_bhnm_q_r bnmch8/dr cd cdonrh8_n _r oqnoqhdc_cdr cd cdedhsnr-

< mdbdrrhc_cd cd dmsdmcdq_r bnmch8/dr cd cdonrh8_n bnln tqm oqd,qdpthrhsn mn

ldkgnq_ldmsn c_r oqnoqhdc_cdr cn ehkld d _ q_y_n o_q_ B hmsdqdrrdptd _kftmr fqtonr

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ldsncnr cd cdonrh8_n _ksdqm_shunrbnl B naidshun cd dkhlhm_q_kftmr cnr oqnakdl_r

kdu_ms_cnr_bhl_-

Dlanq_ nr ldsncnr cd cdonrh8_n bnmudmbhnm_hrtr_mcn cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd

sdmg_l oqnctyhcn ehkldr cd Ba=Jo4 cd an_ pt_khc_cd+ dkdr odqlhsdl lthsn ontbn

bnmsqnkdrnaqd / oqnbdrrn cd cdonrh8_n- _r o_q_ldsqnr cd cdonrh8_n ptd oncdl rdq

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cdrs_ odqc_ cd bnmsqnkd+ontbnr ldkgnq_ldmsnr enq_l edhsnr_ o_qshqcdrs_ sdbqtb_ o_q_

_ rnkt8_n cnr oqnakdl_r khrs_cnr _bhl_- <kdl chrsn+onq b_tr_ c_ bnlokdwhc_cd cn

oqnbdrrn+ dwhrsdl _hmc_lths_r ptdrsndr qdk_bhnm_c_r_nr ldb_qtrlnr cd bqdrbhldmsn

m_ cdonrh8_n onq cdrb_qf_ ktqmhmdrbdmsd-<rrhl+ d hlonqs_msd hmudrshf_qldsncnr

_ksdqm_shunrcd cdonrh8_n ptd onrr_l ldkgnq_q _ pt_khc_cd cnr ehkldr cd _,Rh9Gd rt_r

khf_r+_tqmdms_qB dmsdmchldmsncnr ldb_qtrlnr cd bqdrbhldmsn cn ehkld+ d odqlhshq

tqm ldkgnq bnmsqnkdc_r oqnoqhdc_cdr cn ehkld- Tqm dwbdkdmsd_qshfn cd qduhr_n _

qdrodhsncd oqnbdrrnr _ksdl_shunrcd cdonrhz_ncd _,Rh9Gd rt_r khf_renhdrbqhsnonq

Srtn d KtesL:

4141NbaeaVp ab DeVdj8pqe_lTl_ u_qhdc_cdcd ldchc_r cd ch_fmnrshbn+s_msno_q_ / ok_rl_+ pt_ms_ o_q_nr

eGldr cdonrhs_cnr d dloqdf_c_ o_q_ cdsdmmhm_qnr bnmrshsthmsdrcn ok_rl_ d _

pt_khc_cdcn ehkld+qdrodbshu_ldmsd-/ ok_rl_ m_nenhnaidsn cd drstcn cdrs_ Sdrd+cd

enql_ ptd bhs_qdlnr _pth _odm_r _r sdbmhb_rl_hr tr_c_r dl rt_ b_q_bsdqhy_z_n-

Pt_msn _ pt_khc_cd cn ehkld+_ Rdz_n 3 d snc_ d0_ cdchb_c_ _r sdbmhb_ronq mnr

tshkhy_c_ro_q_ drs_ b_q_bsdqhy_bq_n-

<r ldchc_r cd ch_fmnrshbncn ok_rl_ sy •sZ[ hmbktdl _ drodbsqnrbnoh_ cd l_rr_

:82FI _ drodbsqnrbnoh_ cd dlhrr_n noshb_ ::2=FI _ drodbsqnrbnoh_ cd _arnqbq_ncd e_rd

f_rnr_+ _ drodbsqnrbnoh_ bndqdmsd Q_l_m _msh,Rsnjdr (10<=FI d _ ektnqdrbdmbh_

hmctyhc_onq k_rdq:7LGL Nauh_ldmsd+ _ drodbsqnrbnoh_ cd l_rr_ d _ drodbsqnrbnoh_ cd

dlhrr_n noshb_r_n _r l_hr tshkhy_c_rcduhcn _ e_bhkhc_cdmn_qq_mindwodzdms_k-

< drodbsqnrbnoh_ cd l_rr_ d tr_c_ o_q_ ldchq hnmrd drodbhdr mdtsq_r mn ok_rl_:

tqm drodbsqnldsqn cd l_rr_ cd pt_cqtonkn chronmhudkbnldqbh_kldmsd+ bnmrhrshmcncd

tqmhnmhy_cnq+tqmpt_cqtonkn cd l_rr_+ d cd tqmcdsdsnq+d fdq_kldmsd tr_cn onq b_tr_

cd rt_ dkdu_c_ rdmrhahkhc_cd+mhohc_u_qqdctq_+an_ qdrnktbq_n+drb_k_ khmd_qcd l_rr_+ d

odptdmn s_l_mgn- O_q_ldkgnq_q _ rdmrhahkhc_cdd ldchq drodbhdr ontbn _atmc_msdr mn

ok_rl_+ d onrrhudk tr_q tqm hnmhy_cnq cn shon edhwd cd dkdsqnmr bnqqehm_cn

l_fmdshb_ldmsd d tqm drodbsqnldsqn cd l_rr_ trt_k: mdrsd b_rn+ _kb_mbq_,rdtqm_

oqdbhr_ncd 0 q_chb_kdl 0/5 lnkdbtk_r cd RhG3HN-

< drodbsqnrbnoh_ cd dlhrr_n noshb_ m_r qdfhndr uhrhudk d tksq_,uhnkds_ d

bnltqmdmsd tr_c_ o_q_ cdsdqlhm_q _ oqdrdmbq_cd drodbhdr mdtsq_r d hnmhb_rmn

ok_rl_k d6< oqhmbho_ku_ms_fdl c_ aLc d ptd dk_ m_n odqstqa_ B ok_rl_+ d s_ladl

oncd rdq tr_c_ o_q_ lnmhsnmh,Hnpt_mcn d cdrdi_udk nasdq bnmchbndrqdoqnctshudhro_q_

n ok_rl_- Bnmstcn+ _ ILc enldbd _odm_r c_cnr rdlhpt_mshs_shunr rnaqd _r

bnmbdmsq_bqndrd oqnbdrrnr cd dwbhs_bq_n-

N espectroscopia de absor~ao pode ser usada para identificar urn grande nfunero

de moleculas estaveis em urn gas, Tma possibilidade e a utiliza~ao de urn laser de

diodo sintonizavel na regiao do infra+vermelho para a detec~ao sensitiva e seletiva de

especies,

N espectroscopia coerente Qaman anti+Rtokes:sr78F e excelente para medir a

distribui~ao espacial de moleculas neutras* mesmo na presen~a de urna forte emissao

de fundo proveniente do plasma, Dta pode ser usada para medir as concentra~oes de

RiG~e G0 durante . processo de descarga luminescente de silana,

N fluorescencia induzida por laser :5?1Fe urna forma de medir a distribui~ao das

especies neutras no plasma, Dla oferece urna grande resolu~ao espacial* maior

sensibilidade e melhor seletividade do que a 608d N 5?1 pode detetar especies

complementares aquelas detetadas por A;PR) como por exemplo Rie RiG,

6373Oca_iengjn Fiqjfqebjn i_ EcljneD_j bc _2TeAIDxistem quatro estagios na forma~ao do a+Ri8Ga partir de urna descarga eletrica

em urn reator contendo silana, . primeiro* 9 processo de impacto de eletrons* e a

dissocia~ao colisional primaria da silana* resultando em urna mistura de especies

reativas consistindo de ions e radicais livres, . segundo estagio e a difusao ou arraste

destas especies ate a superficie do substrato*acompanhada por urna multiplicidade de

rea~oes secundarias envolvendo ions+moleculas* f4tons+moleculas* etc, . terceiro

estagio e a rea~ao das especies do gas ou plasma com as suas adsor~oes na superficie

do substrato, . quarto estagio e 9 processo pelo qual estas especies ou seus produtos

de rea~ao incorporam+se no filme em crescimento*ou saCre+emitidosda superficie do

substrato para a fase gasosa,

Jampas/0 estabeleceu que . processo de deposi~ao basico e a inser~ao de RiG0

nurna liga~ao Ri+Gpara produzir urn grupo excitado RiG1 ligado a urn atomo de silicio,

<tomos de hidrogenio podem entao ser eliminados por urna variedade de formas9por

exemplo* . grupo RiG1 liga+sea urna liga~ao insaturada para formar urn grupo Ri+RiG1

de elevada energia interna*a partir do qual atomos de hidrogenio saCeliminados,

Fallagherl1 fomeceu urn modelo para a deposi~ao de =a8Ao3 a partir de silana

pelo processo de descarga luminescente* como mostrado na Eigura 0,/, e na Eigura

0,0,, Ma Eigura 0,/, os processos de colisao envolvendo eletrons sao mostrados por

setas grossas* os processos envolvendo colisoes gasosas por setas mais fmas* e .

transporte entre 9 gas e a superficie pelas setas mais fmas, <s rea~oes quimicas sao

iniciadas por colisoes entre eletrons e moleculas de silana*produzindo ions e radicais

neutros, Bolisoes sucessivas destes ions com moleculas de silana convertem estes ions

em ions ainda mais pesados*em competi~ao com a velocidade de arraste dos ions para

os eletrodos, . resultado destas rea~oes sob condi~oes tipicas e a significante*mas nao

muito grande*fra~ao de ions ' multiplos de Ri( mais pesados, Re os ions mais pesados

fossem produzidos em grandes quantidades* eles continuariam a crescer atraves da

intera~ao entre ion+molecula*ate que eles nucleassem em particulados que destruiriam

a qualidade do filme em deposi~ao, Oara impedir tal nuclea~ao*uma pequena distancia

eletrodo+substrato e desejada,

Ns radicais neutros reagindo com moleculas de silana conduzem a vanos

processos, . mais importante e aquele em que 9 radical neutro dominante produzido

pelo eletron inicialmente excitado 'hidrogenio atomico(*e convertido em radical RiG1

pela rea~ao com a silana, <o mesmo tempo* it pressoes de deposi~ao tipicas '.*/+/*.

torr(* os radicais RiG*RiG0 e Ri reagem com moleculas de silana e hidrogenio para

formar radicais di+silana e di+silicio*antes de atingirem a superficie do substrato, .

resultado destas rea~oes envolvendo radicais neutros e da produ~ao de RiG1 pela

rea~ao ionica e a difusao do radical RiG1 para a superficie, <ssim* . radical RiG1 e .

precursor da deposi~ao do a+Ri8Ga baixas potencias* descarga CB a altas pressoes e

descarga QE, Dste modelo esta de acordo com medidas indicando que as constantes de

velocidade para rea~oes de RiGA com GA1 RiGCe RiAGDsao /.C1 /.A e /. vezes mais

elevadas do que valores previamente calculados a partir de valores da literatura para os

parametros de <rrheniusl2, Bontudo*para potencia elevada*baixa pressao 'menor do

que 3. mtorr(* . precursor dominante nao e necessariamente . radical RiG1/3,

EntradaSiH•• SiH ••

Eletron~ ....- .....--.....--1Ions Radicais I ~Njt os ~ Bombeio

. • Colisoes Si~ H 1Ii _.l....... H2

SIHn•• --- - -r' SiH I'" .Si.2H~« SiH2•• _.~~---ff+SI3Hn4J SiH -'Si H •• , Si H • Bombeio

Si"'" 2 n , 2 e . \Radicais . (. ~

"Ilsputt7redll Olfusao .• Arraste d~, ., (principalmenteSiH ) Si •.SIH3 , •Ions para a Superflcle ~ 3 Rea~ao no Supjtrflcle(principalmente SiHjl H H , H • HCclnadaSuperficialH,~ HJ)f H,sIJH H,sl)f~SI.JiHIS Alta H-Si H ~.. • ~_____ H'_~~ !Vo---'---I----·~I SI- Film.Inter;ior~o Filme'Si- Si ~ /Si--~k,. __ Si, / \HIS. BaIXO Si/.H'Si "'" Si-Si 'Si Si "Si---H si Si

/ " r' / " / "/,, /" ". ,.r",Si S. Si-Si Si Si " S. S. S.,/ / ,,/ 'Si Si/ 'Si/ 'SV

Radicais ejetados da superficie do substrato por bombardeamento de ions

adicionam-se aqueles produzidos pela quimica do gas, e em certas condi90es SaDa

fonte de radicais dominante. Di-silana e produzida na descarga luminescente de silana

por rea90es superficiais de dois radicais SiH3. A fonte primana da molecula de

hidrogenio e a conversao de dois radicais SiH ligados a superficie em liga90es Si-Si

com a libera9ao de H2.

Na superficie do a-Si:H quase todas as liga90es superficiais estao presas a

atomos de hidrogenio. Sob condi90es de descarga tipicas, apenas I em I()4 ou 105

destas liga90es envolvendo silicio SaDinsaturadas (sem urn atomo de hidrogenio).

Assim, a produ9ao de fHmes de a-Si:H ocorre predominantemente pela rea9aO de

radicais SiH com a superficie de silicio passivada por atomos de hidrogenio13.

Urn modelo da deposi9ao inicial na superficie do substrato e mostrado na Figura

2.2.13. Qualquer radical SiH2 ou outros radicais com mais de uma liga9ao insaturada

incorporar-se-ao imediatamente no filme de silicio coberto com hidrogenio. POToutro

I f S C - SERVI<;O DE BIBLlOTECA EINFQRvA~AO~---,~-~_.•...•._.'""'-

lado, 0 radical SiH3 nao pode incorporar-se diretamente a liga~ao SiH, mas pode

remover urn atomo de hidrogenio para produzir SiH4 e uma liga~ao insaturada na

superficie. Urn outro radical SiH3 migrando ao longo da superficie ou vindo

diretamente do gas, pode enmo incorporar-se nurna liga~ao insaturada. Seguindo 0

passo inicial de incorpora~ao do radical SiH3 na superficie com urna imica liga~ao Si-

Si, dois radicais SiH3 podem fazer liga~oes Si-Si adicionais, liberando H2. Este

processo requer que os dois atomos de Si tenham aproximadamente 0 espa~o e a

morfologia de urn cristal, para que a libera~ao de hidrogenio tome-se exotermica.

Assim, a tendencia e 0 crescimento de estruturas pr6ximas a cristais. A taxas de

deposi~ao elevadas, a elimina~ao de hidrogenio pode ser impedida pela engloba~ao das

superficies cobertas por hidrogenio, 0 que resulta na forma~ao de vazios16.

£SiH4+b.B.A

~IIncorporac;Cio

SECAO 3

CONSTRUCAO E OPERACAO DO REATOR DE DESCARGALUMINESCENTE A BAIXAS FREQUENCIAS

3.1. Introd u~ao

o objetivo desta Se~ao e mostrar a viabilidade da constru~ao de urn reator de

descarga lurninescente usando como fonte produtora do plasma urn transformador de

aha vohagem funcionando a 60 Hz~a fim de produzir filmes finos de silicio amorfo

hidrogenado (a-Si:H) de qualidade eletronica.

A produ~ao de a-Si:H e suas ligas em urn reator de descarga luminescente (glo·w

discharge) pelo processo de deposi~ao a partir de vapor quirnico (Chemical Vapour

Deposition - CVD) introduz riscos potenciais associ ados com a rnanipula~ao de gases

cornprimidos, toxicos, piroforicos, e inflamaveis, tais como silana, fosfina, diborana,

gennana, hidrogenio, argonio e nitrogenio. A exce~ao da gennana, para todos os

dernais gases nos projetamos e instalamos as linhas de gases dos cilindros ate 0 reator.

No projeto de constru~ao do reator, todos os esfor~os foram tornados para

eliminar ou reduzir 0 risco da rnanipula~ao destes gases, durante a sua opera~ao e

rnanuten~ao.

A seguir, descreverernos 0 projeto de urn sistema de deposi~ao, dando enfase

aos principais parametros que devern ser levados em conta neste projeto. Por fun,

faremos urn relato completo das etapas de constru~ao do reator de descarga

luminescente a 60 Hz, e de todo 0 sistema auxiliar usado para a deposi~ao de filmes

finos de a-Si:H.

3.2. 0 Projeto de um Sistema de DeposiCaoUrn sistema de deposi~ao a plasma, como qualquer sistema de deposi~ao a partir

de vapor quimico, consiste geralmente de vanos subsistemas funcionais, tais como 0

reator, os subsistemas de armazenamento, controle e fluxo de gases, 0 sistema de

bombeamento de alto vacuo, 0 sistema de efluencia de gases, e 0 circuito eletrico para

a gera~ao do plasma, seja e1eAC ou DC.

Na fabrica9ao de dispositivos p-i-n tres tipos de reatores tern sido usados:

i) urn reator de urna Unicacamara,

ii) urn reator do tipo load-lock com urna imica camara,

iii) e urn reator do tipo multicamara.

o reator de urna imica camara e 0 mais simples, e consiste de uma imica camara

de deposi~ao, a qual e aberta a cada cicIo. Obviamente, este tipo de camara traz

problemas para 0 produto final obtido, principalmente no que diz respeito acontamina~ao. Uma possivel solu~ao para este problema e 0 uso de urna jaula de a~o

inoxidilvel totalmente fechada dentro da qual 0 substrato e colocado17, e onde ocorre a

descarga luminescente. 0 problema da contamina~ao e minimizado porque apenas urna

pequena fra~ao da superficie da jaula e exposta ao plasma. Alem disso, 0 aquecimento

externo reduz a contamina~ao por desgaseifica~ao. Outra caracteristica deste projeto

inclui a boa uniformidade de deposi~ao, sem qualquer acurnula~aoparticular.

o reator do tipo load-lock18 e similar ao sistema de urna Unicacamara~contudo, a

adi~ao de urn sistema load-lock providencia 0 acesso it. camara principal sem a quebra

do vacuo, ja que neste projeto existe urna pre-camara. A transferencia do substrato da

pre-camara para a camara principal e feita em pressoes da ordem de 0,5 torr em

atmosfera de argonio~ apos 0 fechamento da valvula de contato entre estas duas

camaras, urn fluxo de silana prepara a camara de processo para a sequencia de

deposi~ao~apos a deposi~ao a camara de processo recebe urn fluxo de argonio a 0,5

torr, a valvula de contato e aberta, e a transferencia do substrato para a pre-camara e

executada. Em urn sistema load-lock tipico a camara principal e aberta para limpeza

apos cerca de 30 deposi~oes~ 0 nivel mais elevado de impurezas depositadas na

amostra e observada na primeira deposi~ao apos a limpeza~isto pode ocorrer devido it.

forma~ao de depositos de filmes sobre componentes do sistema, que inibem a

desadsor~ao de gases.

o reator de descarga luminescente com multicamaras19 consiste de urna sucessao

de camaras em sene, urna isolada da outra por vaIvulas. Em cada camara urn tipo

diferente de filme amorfo e depositado; a vantagem 6bvia e que 0 nivel de

contamina9ao e bastante reduzido neste sistema.

No projeto de urna camara de deposi9ao e necessario considerar alguns fatores,

tais como a geometria dos eletrodos, 0 padrao de fluxo de gases e 0 projeto do

aquecedor; outras caracteristicas de projeto importantes sao as paredes quentes, as

pequenas distancias entre os eletrodos, 0 tamanho dos eletrodos, a elimina9ao das

regi5es de campo elevado, a sele9ao na frequencia de excita9ao e a aplica9ao de uma

tensao de polarizac;ao DC de controle. Todas estas caracteristicas de projeto ou de

processo podem afetar a qualidade do fUme. Dado que existem nurnerosas variac;oes e

considerac;oes de engenharia no projeto de urn sistema de deposic;ao a discussao sera

aqui limitada aqueles fatores que estao diretamente relacionados com a fisica e a

quimica do filme crescido.

3.2.1. A Geometria dos Eletrodos

o projeto do eletrodo e importante porque ele afeta as reac;oes entre eletrons e

moleculas gasosas, 0 transporte de especies geradas no plasma para 0 substrato, e as

reac;oes secundarias no substrato, e isto pode afetar a qualidade resultante do filme. Os

sistemas de deposic;ao de a-Si:H usuais usam urn projeto de reator do tipo flat-bed com

eletrodos intemos. Reatores tubulares com eletrodos extemos acoplados indutivamente

foram usados nos primordios da pesquisa em a-Si:H1.2. Contudo, reatores tubulares

saD dificeis de ser adaptados para a produc;ao industrial. Vma geometria de eletrodos

na forma de triodo com a aplicac;ao de urna tensao de polarizac;ao pode minimizar 0

dano pelo bombardeamento de ions no crescimento dos filmes. 0 confmamento do

plasma, por grades aterradas ou campos magneticos, minimiza a contamina~ao do

filme a partir das paredes, e pode prover urn campo eletrico mais uniforme. Reatores

com dois eletrodos sao chamados de reatores diodo, e reatores com tres eletrodos saD

chamados de reatores triodo.

Em reatores diodo 0 eletrodo que contem 0 substrato sobre 0 qual 0 filme e

depositado e tipicamente 0 eletrodo aterrado. A area combinada do eletrodo aterrado e

das paredes da camara aterradas e geralmente muito maior do que a area do eletrodo

carregado. Como resultado desta geometria assimetrica e pelo fato da mobilidade do

eletron ser muito maior do que a mobilidade dos ions, as duas regioes dos eletrodos

terao diferentes quantidades de queda de potencial, 0 que acelera ions na dire~ao dos

eletrodos e e1etronspara longe deles. A maior queda de potencial aparece no eletrodo

carregado, 0 qual e mais negativo em relayao ao eletrodo aterrado. Esta e a razao pelo

qual 0 eletrodo carregado e frequentemente chamado de catodo e 0 eletrodo aterrado

de anodo. 0 potencial aterrado e sempre negativo em rela~ao ao potencial do plasma, e

entao a superficie do substrato sobre 0 eletrodo aterrado sofre 0 bombardeamento por

ions positivos.

As taxas de deposi9ao para substratos colocados no catodo sao sempre maiores

do que as taxas de deposi9ao anodicas, porcausa da auto-polariza9ao negativa. Isto e

consistente com 0 fato de que a gera9ao de radicais neutros toma lugar proxima ao

catodo.

No reator diodo os ions produzidos na descarga sao acelerados em regioes de

campo elevado no plasma e bombardeiam a superficie do filme em crescimento. Para

impedir 0 dano no filme pelo bombardeamento de ions positivos, uma tela catodica

(aterrada) e algumas vezes adicionada proxima ao substrato. Filmes crescidos sobre 0

catodo experimentam mais bombardeio de ions do que filmes depositados sobre 0

anodo aterrado. Filmes catodicos geralmente contem menos hidrogenio do que filmes

anodicos, e uma pequena fra9ao esta na forma de grupos di-hidretos ou poli-hidretos;

este fato e atribuido ao efeito do bombardeamento de ions sobre os di-hidretos no

filme em cresciment020.

o uso de uma grade ou a configura9ao de triodo e1imina eficientemente 0

bombardeamento de ions sobre 0 filme em crescimentol3. Na geometria de triodo dois

tipos diferentes de arranjo dos eletrodos podem estar envolvidos, como mostra a Figura

3.1.. Na Figura 3.l.a. 0 terceiro eletrodo contem 0 substrato sobre 0 qual 0 filme e

bqdrbhcn-< sdmr_ncd onk_qhy_z_nd _okhb_c_dmsqd/ lncn d / sdqbdhqndkdsqncn-<

Ehftq_ 2-0-a- lnrsq_ tqm _qq_minmn pt_k / sdqbdhqndkdsqncnd tqm_ fq_cd ptd drs_

_sdqq_c_+d / rtarsq_sn d bnknb_cn rnaqd / _mncn ptd oncd drs_q rtaldshcn _ tqm_

sdmr2/ cd onk_qhy_x2n CB dl qdk_x2/ hs fq_cd: bnl drs_ bnmehftq_x2n /

anla_qcd_ldmsn cd hnmrd _sd CBBBudydr ldmnq cn ptd m_bnmehftq_k:_ncd chncn-

Cdodmcdmcnc_ sdmr_ncd onk_qhy_z_n_okhb_c_+hnmr(drodbh_kldmsdnr l_hr odr_cnr)

oncdl rdqdwsq_hcnrcn ok_rl_ _sq_udrcd tqmonsdmbh_kmdf_shun_okhb_cn_n rtarsq_snz

_rrhl+ hnmrRhG24 oncdl _kb_mz_q/ rtarsq_sn+_n o_rrn ptd nr l_hr kdudrc4 o_q_l m_

fq_cd-M__trdmbh_cd tl_ fq_cd cd sqhncn+_ eq_x_ncd q_chb_hrhmhbh_kldmsdoqnctyhcnr

ptd _kb_mx_/ rtarsq_sn _msdrcd qd_fhqd hmcdodmcdmsdc_ oqdrr_nm_b_l_q_ cn qd_snq-

Sdk_r a_rs_msdsq_mro_qdmsdrtr_c_r _ tl_ odptdm_ chrs_mbh_cn rtarsq_sn+bnl tl_

qdcd ehm_(o_q_ hlodchq hmgnlnfdmdhc_cdr)oncdl rdq tr_c_r o_q_ nasdq s_w_r cd

cdonrhx_nqdk_shu_ldmsddkdu_c_rDC:

` dro_x_ldmsn dmsqdnr dkdsqncnr_eds__ pt_khc_cdcn ehkld cdonrhs_cnonqptd

dkdkhqmhs__ chrs_mbh_ptd nr q_chb_hruh_i_l _msdrcd _kb_mx_q_ rtodqehbhdcn ehkld dl

bqdrbhldmsn+d dkdcdsdqlhm__ sdmr_ndkdsqhb_cd rtrsdms_x_nc_ cdrb_qf_ _sq_udrc_

Kdhcd O_rbgdm11-Drs_ kdh_elm_ ptd _ sdmr_ncd rtrsdms_x_nc_ cdrb_qf_ d tl_

etmx_n cn oqnctsn c_ oqdrr_n cnr f_rdr dmunkuhcnrmn oqnbdrrn odkn dro_x_ldmsn

dmsqdnr dkdsqncnr-Tl_ sdmr_ndkdsqhb_khfdhq_ldmsdrtodqhnq_ptdk_ mdbdrr_qh_o_q_

rtrsdms_q_ cdrb_qf_ d shohb_ldmsdtr_c_ o_q_cdonrhs_q_,Rh9Gcd _ks_pt_khc_cd-

Dro_x_ldmsnr dmsqd0 d 4 bl r_n shohb_ldmsdtr_cnr m_cdonrhx_n cd _,Rh9Gz

dro_x_ldmsnr ldmnqdr cn ptd 0 bl r_n hmcdrdihkudhronqptd dkdr b_tr_l tl_

cdonrhx_nm_n,tmhenqldrnaqd _ _qd_cn rtarsq_sn-

514141SbjpVl ab n`]Sc[jSlS`ab Cljqolgb

Dl _la_r _r fdnldsqh_r cd chncn d sqhncn+tl_ sdmr_ncd onk_qhy_x_n_okhb_c_

_n rtarsq_sn dl qdk_x2/_n onsdmbh_kcn ok_rl_ oncd sdq dedhsnrrhfmhehb_shunrm_r

oqnoqhdc_cdrcn ehkld- Tl_ udy ptd _ cdonrhx_nonq cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsdd b_tr_c_

oqhmbho_kldmsdonq q_chb_hrmdtsqnr+_ _okhb_x_ncd tl_ sdmr_ncd onk_qhy_x_nm_n

_eds_/ shond _r oqnoqhdc_cdrcd _cdr_n cnr oqdbtqrnqdr: dk__eds_oqhmbho_kldmsd_r

oqnoqhdc_cdrcn ehkld odknbnmsqnkdc_ dwsdmr_nd c_ dmdqfh_cnr anla_qcd_ldmsnr cd

hnmrd dkdsqnmrctq_msdB bqdrbhldmsncn ehkld- Tl_ sdmr_ncd onk_qhy_z_nmdf_shu_d

lncdq_c_+ dwsdl_ldmsd _okhb_c_nt _tsn,hmctyhc_ odk_ fdnldsqh_ _rrhldsqhb_ cnr

dkdsqncnr+ldkgnq_ _r oqnoqhdc_cdrdkdsqhb_rd drsqtstq_hr cnr ehkldr cd _,Rh9G-Hrsn

nbnqqdonqptd / anla_qcdhn lncdq_cn cd hnmr+b_tr_cn onq tqm_sdmr_ncd onk_qhy_z_n

mdf_shu_+oncd qdlnudq rhshnrcd cdedhsnr_rrnbh_cnr bnl _ khf_z_nRhG112-13-14-<kdl

chrrn+dl cdonrhzndr cd cdrb_qf_ CB tr_mcn rhk_m_otq_+ tqm_tqmdmsnm_dmdqfh_cd

anla_qcd_ldmsn cd hnmr (oqhmbho_kldmsdRhG240 e_unqdbd _ enql_z_n cd ehkldr

hrnsqnohbnrd gnlnfdmdnr cd _ks_cdmrhc_cd+bnqqdk_bhnm_cnrbnl _ oqdcnqmhllbh_cd

khf_zndr cd lnmn,ghcqdsnr15- Bnmstcn+ / anla_qcd_ldmsn dwbdrrhun cd hnmr d

dkdsqnmr16oncdl sdqdedhsnrc_mnrnr rnaqd _ pt_khc_cdcn ehkld- < rdfthq+tl_ aqdud

cdrbqhz_ncnr u_mnr dedhsnrcd tl_ sdmr_ncd onk_qhy_z_nrnaqd _ s_w_cd cdonrhz_n+_

cdmrhc_cdcd •~sy•- _ q_y_nch,ghcqdsnrklnmn,ghcqdsnrd rnaqd _ dehbhdmbh_m_cno_fdl-

e`V` S_`Vo

rfTdecSe`

sWcUW[lZ]Wec`ll l Q p

USe`V`lSll]Sd^S

chqzS_`V`

"Ah_r" CB

Dl tqmqd_snqcd cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd_ QE+rhl-dsqhbn+dkdsqncnrbnl fdnldsqh_

cd chncn tr_mcn o_qdcdr ptdmsdr )rzZ ]ivv•, pt_mcn 0//% cd rhk_m_d tr_c_+ _ s_w_cd

cdonrhP_n chqmhmthcd 1+2 ml.r _ ,00/ U CB cd onk_qhy_P_no_q_ 0+8ml.r pt_mcn m_n

g_ onk_qhy_x_nd o_q_ 0+4mlHr _ *7/ U17- Dl tqm qd_snqbnl fdnldsqh_ cd sqhncn+_

s_w_cd cdonrhx_n chlhmth cd 0 mlHr _ ,4// U CB o_q_ /+2 mlHr _ / U18- Pt_mcn tqm_

sdmr_ncd onk_qhy_x_nmn rtarsq_sn mdf_shu_dl qd0_x_n_n lncn d lncdq_c_ (,4/ _ ,

04/ U)+_ pt_khc_cd cn ehkld ldkgnq_- Onqntsqn k_cn+tqm_sdmr_ncd onk_qhy_x_ncd ,

0// U qdrtks_ dl tqmfq_mcd _tqmdmsnm_bnmctshuhc_cdmndrbtqn d tqm_chlhmthx_n m_

ensn,rdmrhshuhc_cd-

n dedhsncd tqm_ sdmr_n cd onk_qhy_z_nrnaqd _ cdmrhc_cd cd •~sy• cdodmcd c_

cdmrhc_cd cd onsdmbh_ c_ QE dl tqm qd_snq bnl fdnldsqh_ cd chncn- < a_hw_r

onsdmbh_rcd QE m_n dwhrsdchedqdmz_m_ cdmrhc_cd cd •~sy• pt_mcn gbhnt m_n tqm_

sdmr_n cd onk_qhy_z_n_okhb_c_:onq ntsqn k_cn+_ tqm_ cdmrhc_cd cd onsdmbh_dkdu_c_+

pt_mcn m_n gbhtqm_ sdmr_n cd onk_qhy_z_n_ cdmrhc_cd cd •~sy• _tqmdms_cd tqm e_snq

0// dl bnlo_q_z_n bnl _ rhst_z_n cd a_hw_cdmrhc_cd cd onsdmbh_+_n o_rrn ptd _

cdmrhc_cd cd •~sy• odql_mdbd bnmrs_msdm_ bnmchz_n cd sdmr_n cd onk_qhy_z_n

mdf_shu_2/-

n dedhsn cd tqm_ sdmr_n cd onk_qhy_z_n rnaqd / sdnq cd ghcqnfdmhn d lthsn

odptdmn+ d _ q_y_n ch,ghcqdsn.lnmn,ghcqdsn _tqmdms_cd /+4 o_q_ /+74 pt_mcn _ sdmr_n

cd onk_qhy_z_n_tqmdms_cd / o_q_ 40// U- <kdl chrrn+ tqm_ sdmr_n cd onk_qhy_z_n

mdf_shu_e_unqdbd_ khf_z_ncd lnmn,ghcqdsnr+ dmpt_msnptd tqm_sdmr_ncd onk_qhy_z_n

onrhshu_e_unqdbd _ enql_z_n cd ch,ghcqdsnr20- O_q__ fdnldsqh_ cd sqhncn _ pt_khc_cd

cn ehkld (o_q_ cdonrhz_n tr_mcn rhk_m_)d ldkgnq_c_ onq tqm_ sdmr_n cd onk_qhy_z_n

mdf_shu__bhl_ cn lxdk cd sdmr_n 5shln: tqm _bqdrbhln _chbhnm_km_ sdmr_n mdf_shu_

(_kdl cd ,1// _ ,2// U) bnmcty _ cdsdqhnq_z_nm_pt_khc_cd cn ehkld: bnl tqm_sdmr_n

cd onk_qhy_z_n mdf_shu_ _cdpt_c_ _ hmbnqonq_z_n cd RhG d oqnln uhc_ l_r _

hmbnqonq_z_ncd RhG1 d cdoqhlhc_+ / ptd qdrtks_ mtqm_ ldkgnq_ m_ pt_khc_cd cn

ehkldDL:

` dedhsncd tqm_sdmr_ncd onk_qhy_z_nrnaqd _ dehbhdmbh_m_hmbnqonq_z_ncd anqn

mnehkld cd _,Rh9Gd a_rs_msdrhfmhehb_shu_-Ul_ sdmr_ncd onk_qhy_z_nonrhshu_cd 0//

U ldkgnq_ _ bnmctshuhc_cdmndrbtqn cd _lnrsq_r cd _,Rh9Gcno_c_r bnl anqn onq

l_hr cd sqdrnqcdmrcd fq_mcdy_zbnlo_q_c_ bnl _lnrsq_r cdonrhs_c_r bnl mdmgtl_

sdmr_n_okhb_c_2T1- Mnb_rn cd tqm_sdmr_ncd onk_qhy_z_n_okhb_c_mnrtarsq_snz tqm_

sdmr_nonrhshu_ldkgnq_ _ hmbnqonq_z_ncd enrenqnd tqm_sdmr_nmdf_shu_ldkgnq_ _

hmbnqonq_z_ncd anqn22-

5141512 CljcejVibjql al PgVpiV

` lnuhldmsn cn dkdsqnmmn ok_rl_ oncd rdq e_bhkldmsdhmektdmbh_cnonq tqm

b_lon l_fmdshbn- Tqm b_lon l_fmdshbn _okhb_cn _n ok_rl_ fdq_kldmsd a_hw_ _

sdlodq_stq_ cnr dkdsqnmr+qdctyhmcn _ odqc_ onq chetr_n c_r o_qshbtk_r b_qqdf_c_r m_

chqdz_n odqodmchbtk_q_n b_lon l_fmdshbn+ d hrsn _eds_ / sdnq cd ch,ghcqdsnr d lnmn,

ghcqdsnr mnr ehkldr23- / b_lon l_fmdshbn _n knmfn cn ok_rl_ _st_ bnln tqm ehksqncd

hnmrzdkdoncd dwbkthqhnmrG* kdudr cn rtarsq_sn ptd sdmcdl _ e_ydq tl_ cdb_o_fdl

m_ rtodqehbhd cn ehkld cdonrhs_cnz bnmstcn+ hnmr l_hr odr_cnr oncdl chqhfhq,rd_n

rtarsq_sn d qdlnudq ghcqnfdmhnkhf_cn _ rtodqehbhd+drodbh_kldmsd _ptdkd khf_cn bnln

Rh,G1¥

Tl_ enql_ cd bnmehm_q/ ok_rl_ d bnknb_qnr l_fmdsnr rna / b_sncn+bqh_mcntqm

b_lon l_fmdshbn dmsqddkd d B _mncn: drsd oqnbdrrn cd cdonrhz_n d bnmgdbhcn bnln

ldsncn cd ok_rl_ _rrhrshcn onq l_fmdsqnm24- < chetr_n cd dkdsqnmrm_ chqdz_n c_r

o_qdcdr d rtoqhlhc_ odkn b_lon l_fmdshbn+ d hrsnqdrtks_ dl tqm_tqmdmsnm_cdmrhc_cd

cnr dkdsqnmrmn ok_rl_+ d B bnmrdptdmsd _tqmdmsnm_s_w_cd cdonrhz_n onq b_tr_ c_

dkdu_c_ bnmbdmsq_z_ncd q_chb_hrcduhcn _n bnmel_ldmsn cd dkdsqnmr-

n bnmehm_ldmsncn ok_rl_ oncd s_ladl rdq nashcn tr_mcn,rd sdk_r _sdqq_c_r_n

hmudrcd b_lon l_fmdshbn- Drs_r sdk_r bnmel_l _ onsdmbh_c_ QE- Drstcnr qdfhrsq_l

ptd+ ok_rl_r cd rhk_m_ bnmel_cnr onq sdk_r _sdqq_c_r oqnctydl ehkldr bnl

drs_ahkhc_cd sdqlhb_ ldkgnq cn ptd _ptdkdr nashcnr bnl ok_rl_ m_n,bnmel_cnr+ d

s_ladl _tqmdms_l _ s_w_cd cdonrhz_n rhfmhehb_shu_ldmsd25-

Icpb 0 rZpud.:Mm CD9 TdTgdmsZUS ZC-n~anUePO6. SU s(-z

,,-¥¥--+- -©©--©©©©--©©\¥ ©©¥z\Hs ©© Hs ©©©©©©©© ,--

736383PYX^tWTXtctY _ l_moembc Lglpmcs_n

Uazamentos de vacuo externos* vazamentos virtuais* e retorno de 4leo de bombas

na camara do reator podem introduzir impurezas indesejaveis no filme depositado,

Oara urn sistema de deposi7ao de a+Ri8Git descarga luminescente* a taxa de vazamento

deve ser mantida em urn nivel abaixo de HxHN+3torr°litros-s, Eilmes de a+Ri8G de

qualidade eletronica contem menos do que 3x l'(%i6cmt1 de oxigenio* 3x l'(l6 cm%\%1de

carbono* e 3x Hfgn cm~1de nitrogeni.15,

< densidade de defeitos aurnenta rapidamente quando a concentra7ao de oxigenio

excede Hx:-aAY cm°1*e a concentra7ao de nitrogenio excede HxH'j/7 cmf1 em amostras

de a+Ri8Gnao dopadas16,

7373Qn R_m_gcomjnbc EcljneD_j

Oorque existem nurnerosas varia7.es nos projetos de sistemas de deposi7ao a

descarga luminescente* os parametros de deposi7ao 4timos variam de sistema para

sistema* e sao geralmente otimizados empiricamente para cada sistema, < densidade de

potencia de QE* a temperatura do sub strato * a pressao na camara* a concentra7ao dos

gases na camara e . fluxo de gases sao os parametros de deposi7ao basicos que afetam

a qualidade do filme, <s propriedades estudadas inc/uem a taxa de deposi7ao 'inerente

ao processo(* a densidade de defeitos* . teor total de hidrogenio incorporado* . @=F de

energia* . teor de di+hidretos* a razao di+hidreto-mono+hidreto* a fotocondutividade* e a

razao fotocondutividade-condutividade no escuro, Ns efeitos dos parametros de

deposi7ao estao normalmente interrelacionados* e nao podem ser expressos como urna

simples rela7ao linear,

737353Ecineb_bc bc Rjociae_ bc SG

Ma descarga luminescente de mono+silana* a taxa de deposi7ao aurnenta

monotonicamente com a densidade de potencia QE* ate que esta seja limitada pelo

fluxo do gas06, < dilui7ao com hidrogenio 'a urn fluxo de gas constante( reduz a taxa

de deposi7a.1., Dm deposi7.es usando di+silanas a dependencia da taxa de deposi7ao

com a potencia QE e similar17,

Oara fTmes a partir de mono+silana* a densidade de omgkoem fun~ao da potencia

de QE depende das condi~oes de deposi~ao* tais como tensao de polariza~ao nos

eletrodos~ na condi~ao sem tensao de polariza~ao a densidade de omgkoaumenta mais

de duas ordens de grandeza t medida que a potencia de QE e aurnentada de urn fator

1.1., Oara filmes a partir de di+silana* a densidade de !'mgkodiminui -t temperatura do

substrato entre 0.. e 1.. B( com 9 aumento da potencia QE1.,

Dm rela~ao ao teor de hidrogenio incorporado nos filmes* existem resultados

controversos, Ce acordo com Jnights1.* 9 teor de hidrogenio em filmes a partir da

mistura silana-argonio* inicialmente cresce e entao decresce 'permanecendo constante

na faixa de 16,17z)10 a,a,( com 9 aurnento da potencia QE 'na faixa de 2+1. V(, lei de

acordo com Qoss e laklik2o* 9 teor total de hidrogenio aurnenta de forma monotona

com . aurnento de potencia, Dm filmes a partir de di+silana* . teor total de hidrogenio

diminui com . aurnento da potencia QE de acordo com Jurneda2/* mas aurnenta de

acordo com Latsuda e colaboradores20,

Y efeito da potencia de QE sobre . eam de energia em filmes depositados a partir

de descarga luminescente de mono+silana e inicialmente urn aurnento no eam e entao

urna diminui~ao nesta grandeza* a medida que 9 nivel de potencia aumenta21, 9

aurnento no eam de energia com a potencia QE a niveis de baixa potencia e devido ao

aurnento no teor de hidrogenio* urna vez que . eam aumenta linearmente com .

aumento do teor de hidrogenio22, N niveis de potencia bastante elevados* a forma~ao

de silicio micro+cristalino causa urn decrescimo reipido em ambos* 9 teor de hidrogenio

e 9 eam optico23,

Dm filmes a partir de mono+silana* urn aumento na densidade de potencia

aumenta 9 teor de di+hidretos e a razao di+hidretos-mono+hidretos24, Dm filmes a partir

de di+silana . oposto e verdade25,

Ce acordo com Mishikawa e colaboradores26 a condutividade no escuro e a

fotocondutividade de filmes a partir de mono+silana inicialmente decrescem e entao

aumentam de maneira significativa com 9 aurnento da potencia QE, Eilmes a partir de

ch,rhk_m_lnrsq_l tqm _tqmdmsnd dms_ntqm_ r_stq_b:_nm_r bnmctshuhc_cdr bnl B

_tqmdmsnc_ onsdmbh_QE36-

` _tqmdmsnm_ cdmrhc_cd cd onsdmbh_s_ladl _tqmdms__ drsqtstq_ qmsbqn,

bnktm_q12- Drsd shon cd drsqtstq_ d hmcdrdi_udkonqptd d0_ qdrtks_ dl oqnoqhdc_cdr

dkdsqnmhb_ronaqdr o_q_ / ehkld- / bqdrbhldmsncd s_hrlhbqndrsqtstq_r drs_ _rrnbh_cn

bnl _ oqdrdmx_cd u_yhnrd fqtonr cd onkh,rhk_m_(RhGz)mDG:

O_q_ cdonrhx_n cd ehkldr cd Ba=Jo4 cd _ks_ pt_khc_cd tr_mcn cdrb_qf_

ktqmhmdrbdmsd_ QE+ _ onsdmbh_d fdq_kldmsdl_mshc_ _ tqmlxdk kdudldmsd _bhl_ cn

lhmhln mdbdrr_mno_q_ l_msdq / ok_rl_- U_knqdrshohbnr+s_msno_q_ cdonrhxndr bnl

lnmn,rhk_m_ pt_msn o_q_ ch,rhk_m_drs_n m_nqcdl cd /+0 V.bl1-

515141SbimboVqroV al RrXpqoVql

Z cd bnmbnqc_mbh_fdq_kptd _ sdlodq_stq_ cd cdonrhz_n nshl_ o_q_ _ cdonrhz_n _

o_qshqcd cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd _ QE cd _,Rh9G _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_ nt ch,rhk_m_

drs_ dmsqd1// d 2//}B- < s_w_ cd cdonrhz_n o_q_ ehkldr _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_ dqdk_shu_ldmsd hmcdodmcdmsdc_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_s/38- Hrsn rhfmhehb_ptd nr+

bndehbhdmsdrcd _cdr_n cnr oqdbtqrnqdr c_ cdonrhz_n r_n qdk_shu_ldmsdhmcdodmcdmsdr

c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn+ d _ s_w_ cd cdonrhz_n d khlhs_c_ odkn rtokdldmsn cd

oqdbtqrnqdr _ o_qshqcn ok_rl_- O_q_ehkldr _ o_qshqcd ch,rhk_m_+_ s_w_cd cdonrhz_n

o_qdbd rdq bnmrs_msdbnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn _ tl_ onsdmbh_cd QE

dkdu_c_+d chlhmth bnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn _ a_hw_r onsdmbh_rcd

QE4/-

` sdnq sns_kcd ghcqnfdmhnchlhmth bnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn

dl ehkldr cdonrhs_cnr _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_E` d ch,rhk_m_F`6l_r / sdnq cd ghcqnfdmhn

chrodqrn _tldms_- Cd lncn rhlhk_q+/ HBP noshbn cd ehkldr cdonrhs_cnr _ o_qshqcd

lnmn,rhk_m_ d ch,rhk_m_40chlhmth bnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn-

< cdmrhc_cd cd 0h~sy• chlhmth bnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn dl

_lanr nr ehkldr cdonrhs_cnr _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_ d _ o_qshqcd ch,rhk_m_pt_mcn _

sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn d ldmnq cn ptd 2// B41- Drsd e_sn drs_ oqnu_udkldmsd

qdk_bhnm_cn_n dkdu_cn mhtmdqncd dro_znr u_yhnr )wsl·z\zsm•, d cd khf_zndr cd onkh,

ghcqdsnr dl ehkldr cdonrhs_cnr _ sdlodq_stq_r ldmnqdr cn ptd 1// }B42- / mhtmdqn

cdrsdr dro_znr u_yhnr chlhmth bnl / _tldmsn c_ sdlodq_stq_- Qdrtks_cnr lnrsq_l ptd

ehkldr cd _,Rh9G cdonrhs_cnr _ sdlodq_stq_r cd rtarsq_sn _bhl_ cd 7A5`H sdqm

cdmrhc_cdroq5whl_r c_r cn rhkhbhnbqhrs_khm/43-

Dl ehkldr _ o_qshqcd _lanr+ ch,rhk_m_d lnmn,rhk_m_+nr sdnqdr cd ch,ghcqdsnrd

onkh,ghcqdsnr,*n+d _ q_y_n ch,ghcqdsnr.lnmn,ghcqdsnr35 chlhmtdl bnl / _tldmsn c_

sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn- Dl ehkldr _ o_qshqcd rhk_m_+tqm_tqmdmsnm_sdlodq_stq_ cn

rtarsq_sn chlhmth B sdnq cn q_chb_kRhG2/-Ehkldr cdonrhs_cnr _ o_qshqcd rhk_m_bnl

cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd _ pa m_n lnrsq_l khf_zndr bnl ch,ghcqdsnr _ sdlodq_stq_r

_bhl_ cd 11/}B- Bnmstcn+ehkldr bqdrbhcnr_ sdlodq_stq_r cd rtarsq_sn l_hnqdr cn

ptd 24/}B (_ sdlodq_stq_ m_pt_k rd hmhbh__ r_hc_ cd ghcqnfdmhncn ehkld) bnmsdl

ghcqnfdmhnhmrtehbhdmsdo_q_ o_rrhu_q _r khf_;:ndr hmr_stq_c_r-S sdlodq_stq_r cd

rtarsq_sn _bhl_ cd 44/}B ( _ sdlodq_stq_ m_ pt_k rd hmhbh_/ bqdrbhqmdmsncd

lhbqnbqhrs_hrcd rhkhbhn)+nr ehkldr cdonrhs_cnr snl_l,rd onkhbqhrs_khmnrbnl mdmgtqm

sdnqcd ghcqnfdmhncdsdbs_udk-Dl ehkldr _ o_qshqcd ch,rhk_m_tqm_dkdu_c_onsdmbh_cd

QE nt tqm_sdlodq_stq_ cd rtarsq_sn _bhqm_cd 14/}B s_ladl dkhlhm_khf_;:ndrbnl ch,

ghcqdsnr-

M_ cdrb_qf_ ktqmhmdrbdmsdcd lnmn,rhk_m_+_ ensn,rdmrhahkhc_cdcnr ehkldr cd Ba

Rh9Gchlhmth bnl / _tqmdmsnc_ sdlodq_stq_37- <la_r+ _ ensnbnmctshuhc_cdd _

bnmctshuhc_cdmndrbtqn cd ehkldr cdonrhs_cnr _ o_qshqcd ch,rhk_m__tqmdms_lbnl B

_tqmdmsnc_ sdlodq_stq_36-

515151A U`_UW_ecSlS`alp GVpbp

Bnln chrbtshcn _bhqm_+_bqdchs_,rd ptd / q_chb_kRhG2 rdI_ / oqdbtqrnq

qdronmr_udkodknrehkldr cd _,Rh9Gcd _Hs_pt_khc_cd-Ehkldr oqnctyhcnr mnqdfhld cd

cdokd;:_ncd rhk_m_+nmcddwhrsdtqm_e_Hs_cd q_chb_hrRhGsdqml_hr cdedhsnrcn ptd

_ptdkdr oqnctyhcnr mnqdfhld cd dwbdrrncd rhk_m_-<rrhl+ tqm_dkdu_c_q_y_ndmsqd_

bnmbdmsq_;:_ncd rhk_m_d _ bnmbdmsq_;:_ncd f_rdr chktdmsdrcdud rdq admdshb_o_q_ _

cdonrh;:_ncd ehkldr cd dkdu_c_pt_khc_cd-Ul_ dkdu_c_oqdrr_n cn f_r+ tqmdkdu_cn

ektwn cd f_rdr+ d tl_ a_hw_onsdmbh_cd pa s_labl _itc_ _ _rrdftq_q ptd _ cdonrhz_n

drsdi_ nbnqqdmcnmnqdfhld cd dwbdrrn cd rhk_m_-

Qdrtks_cnr lnrsq_l ptd _ s_w_cd cdonrhz_n _tldms_ pt_mcn _ bnmbdmsq_z_ncd

rhk_m__tldms_ cd 0/% _ 24% m_cdonrhz_n _ o_qshqcd cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd44-

< cdmrhc_cd cd •~sy• cd ehkldr _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_ chlhmth _ftc_ldmsd bnl

n _tldmsn c_ bnmbdmsq_z_ncd rhk_m_dl _qfnmhn2/- / _tldmsn cn odrn _snlhbn cn f_r

tr_cn bnln chktdmsds_ladl _tldms_ _ cdmrhc_cd cd cdedhsnrcn ehkld45-

n sdnq cd ghcqnfdmhncd ehkldr cd _,Rh9G_ o_qshqcd lnmn,rhk_m_ _tldms_ bnl B

_tldmsn m_ bnmbdmsq_z_ncd rhk_m_dl ehkldr oqnctyhcnr onq cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd

bnl QEIn- Dl eTldr _ o_qshqcd ch,rhk_m_+/ sdnq sns_kcd ghcqnfdmhn_vmdms_bnl /

_tldmsn c_ bnmbdmsq_x_ncd ch,rhk_m_dl gdHhn-

Qdrtks_cnr lnrsq_l ptd tl_ a_hw_bnmbdmsq_x_ncd rhk_m_dl _qfnmh_bnmcty _

tl_ _ks_lhbqndrsqtstq_ bnktm_qd tl_ dkdu_c_ cdmrhc_cd cd cdedhsnr+dwbdsn pt_mcn

tl_ sdmr_ncd onk_qhy_x_nmdf_shu_d _okhb_c_mn rtarsq_sn12-

515161PobppVl ab VWa`d[lS`

n dedhsnc_ oqdrr_n cn f_r rnaqd _ s_w_ cd cdonrhx_n mn oqnbdrrn cd cdrb_qf_

ktlhmdrbdmsd _ o_qshqcd _la_r lnmn,rhk_m_ d ch,rhk_m_d / ldrl/46- M_ qdfh_n

khlhs_c_ od0/ rtoqhldmsn cd f_r+ _ s_w_cd cdonrhx_n d oqnonqbhnm_kS oqdrr_n: i_ m_

qdfh_n khlhs_c_ od0_ onsdmbh_dk_ odql_mdbd bnmrs_msd-O_q__ nasdmx_n cd ehkldr cd

_ks_ pt_khc_cd+ oqdrrndr d0du_c_r d qdfhldr khlhs_cnr od0_ onsdmbh_r_C hmchb_cnr:

bnmstcn+ _ oqdrr_n tr_c_ cdud drs_q _a_hwncn mhudkptd b_tr_ onkhldqhy_x_n dl e_rd

f_rnr_+ / ptd qdrtks_ m_ _bvmtk_x_n cd on _l_qdkn cdmsqncn qd_snq:mn oqnbdrrn cd

cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd _ QE bnl rhk_m_otq_ hrsn fdq_kldmsd rhfmhehb_l_msdq _ oqdrr_n

cn f_r _a_hwn cd 0 snqq- < oqdrr_n cd cdonrhx_n nshl_ cdodmcd s_ladl cn

dro_x_ldmsn dmsqdnr dkdsqncnr+rdftmcn / dmtmbh_cnc_ Kdhcd O_rbgdm-

Qdrtks_cnr dwodqhldms_hr lnrsq_l s_ladl ptd mn oqnbdrrn cd cdrb_qf_

kvmhmdrbdmsd_ QE d CB o_q_ oqdrrndr m_e_hw_dmsqd/+0 d /+4 snqq(hrsn d+_a_hwn c_

oqdrr_n ptd b_tr_ _ onkhldqhy_x_n dl e_rd f_rnr_) cd ehkldr _ o_qshqcd lnmn,rhk_m_+/

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0_ _ ensnbnmctshuhc_cd_tldms_ bnl / _tldmsn bh_oqdrr_n dl eTldr _ o_qshqcd

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_ bnmctshuhc_cdmn drbtqn d _ ensnrrdmrhahkhc_cdchlhmtdl bnl B _tqmdmsnc_ oqdrr_n

pt_mcn _ ch,rhk_m_m_nd chkthc_-

515171Fgrtl ab GVpbp

` ektwncd f_rdr d ntsqn hlonqs_msdo_q_ldsqn cd cdonrh8_Noqhl_qhn+l_r m_nd

tqmptd onrr_ rdq chqds_ldmsdbnlo_q_udk cd tqmrhrsdl_ o_q_ntsqn- / ektwncd f_rdr d

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lnkdbtk_ f_rnr_ odql_mdbd mn ok_rl_- Drsd sdlon cdsdqlhm_ _ oqna_ahkhc_cd c_

lnkdbtk_ rdq chrrnbh_c_d hmbnqonq_c_mnehkld dl bqdrbhldmsn-Onqrt_ udy+B sdlon

cd qdrhcdmbh__eds_ _ cdokdq:_ncn f_r: _ c_cnr mhudhrcd oqdrr_n d cdmrhc_cdcd

onsdmbh_+pt_ms_l_hnq enq/ sdlon cd qdrhcdmbh_l_hnq rdq__ cdokdq:_ncn drsnptd cd

_khldms_q:_ncnr f_rdr- Drs_ cdokdq:_no_qdbdrdq tqm o_q_ldsqn bqhshbnptd _eds_ _

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Qdrtks_cnr lnrsq_l ptd+ _ ldchc_ ptd B ektwncd f_rdr _tqmdms_+_ cdokdq:_n

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_ksdq_qntsqnr o_q_ldsqnr cd cdonrhq:_n-Tqm _tqmdmsnm_ hmsdmrhc_cdcn b_lon

l_fmdshbn _okhb_cnodqodmchbtk_qldmsd_ rtodqehbhdcn rtarsq_sn ctq_msd_ cdonrhq:_n

bnl cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd_ QE _ o_qshqcd rhk_m_lnrsqnt tqm_tqmdmsnmn sdnqcd

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pt_rd ptd bnmshmt_ldmsd+d nr hnmrmn ok_rl_ m_n oncdl rdfthq hmrs_ms_md_ldmsdB

b_lon cd dwbhs_k:_ncduhcn _ rt_ l_rr_ dkdu_c_z bnmrdptdmsdldmsd+ _odm_r dkdsqnmr

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cdonrhk:_n _vmdms__sd _kb_mk:_qvm l_whln dl snln cd 6/ LGy+ d mdrsdonmsn dk_d

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o_q_ldsqnr ptd ldcdl _ pt_khc_cd cn ehkld tr_mcn 6/ LGy enq_l bnlo_q_udhr

_ptdkdr tr_mcn eqdptdmbh_rl_hr a_hw_r-<dhl_ cd 6/ LGy _ s_w_cd cdonrhk:_nd_hcd

l_mdhq_ cq_rshb_- < dwokhb_8_no_q_ drsdr e_snr d ptd _ 6/ LGy B ok_rl_ d _tsn,

dnmel_cn+ dkhlhm_mcn_ mdddrrhc_cd cd ntsqnr shonr cd dnmel_ldmsn-

Lhbqn,nmc_r bnl eqdptdmbh_cd 1+34FGy r_n s_ladl tr_c_r m_cdbnlonrhu_n

m_cdonrh8_n _ ok_rl_ cd _,Rh9G54-M_ e_hw_cd eqdptdmbh_cd qmhbqn,nmc_r+ldrln nr

dkdsqnmrm_noncdl qdronmcdqdl e_rd bnl _ _g_ eqdptdmbh_cn b_lon dkdsqhbn-Hrsn

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nbnqqdsncn B oqnbdrrn ehrhbn,pthlhbn dmunkuhcnm_nasdmz_ncnr ehkldr cd _,Rh9G-

Cdrs_ enql_+ B enql_sn+ _r chldmrndr+ d nr l_sdqh_hrdmunkuhcnrm_ bnmrsqtz_nc_

b_l_q_ r_C cd etmc_ldms_k hlonqs_mbh_o_q_ _ nasdmz_ncd ehkldr cd pt_khc_cd

dkdsqnmhb_-

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Mn oqnbdrrn cd cdonrhz_n tshkhy_lnr tqmoqd,u_btn c_ nqcdl cd 0/,5 snqqo_q_

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b_qanmnd nwhfdmhn-Hrsnnaqhf_ _ ptd tshkhydlnr _zn hmnwhc_udkbnln B l_sdqh_kcd

bnmrsqtz_nc_ b_l_q_- < b_q_bsdqhrshb_oqhmbho_kcdrsd l_sdqh_kd ptd dkdonrrth dl rt_

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b_qanmn_crnquhcnr m_rrtodqehbhdrcn _zn,hmnwhc_udsd _rrhl rdi_ l_hr e_bhkqdshq_,Hnr

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i) silana (SiH4)~

ii) hidrogenio (Hz);

iii) fosfina (PH3);

iv) diborana (B1H6);

v) metano (CH4)~

vi) e argonia (Ar).

Todos os gases tern pureza compative1 com a obtenyao de materiais de

qualidade eletronica. Na deposiyao de a-Si:H intrinseco usamos silana, e

eventualmente uma mistura de silana e hidrogenio. Quando a-Si:H tipo n e desejado,usamos uma mistura de silana com fosfma, ao passo que urna mistura de silana com

diborana e feita quando a-Si:H tipo p e desejado. Misturas de silana com metano SaD

feitas quando desejamos obter ligas de a-SiC:H. 0 cilindro de argonio e ligado ao

sistema caso seja desejavel usar este gas para realizar uma limpeza do sistema com urn

plasma de gas raro nao reativo. A camara de mistura e projetada exatamente para

homogeneizar a mistura de gases antes dela ser introduzida na camara de deposi~ao

para formar 0 plasma e as rea~oes fisicas e quimicas que dao origem il forma~ao dos

filmes. Urn desenho da camara de mistura e mostrado na Figura 3.7 ..

n flange NW 25- KF

l © 0 0 © ©F flanges NW 16- CF

Da camara de mistura ate os cilindros de gases cada tubo passa a ter diametro

de 6,3 mm. Antes de chegar ate os cilindros, cada tuba passa por urna valvula agulha

responsave1 pelo controle fino do fluxo de gases. A liga~ao da valvula agulha com

cada tuba e feita atraves de conexoes do tipo CF-16, especiais para vacuo, soldadas em

cada extremidade dos tubos. Aneis de cobre sao usadas nestas conexoes para garantir

que 0 selo do vacuo seja mantido. Ap6s a jun~30 de toda a tubula93o, desde os

cilindros dos gases ate a camara de deposi~ao, urn detector de vazamentos (leak

detector) e passado no sistema para garantir que nao exista qualquer tipo de problemas

com 0 vacuo ao longo de todo 0 sistema.

3.6. Componentes EletricosUma sene de componentes eletricos e necessario no sistema para a forma~ao do

plasma, auxilio na deposi~ao e controle do processo. Descreveremos a seguir cada urn

dos componentes usados em nosso sistema.

3.6.1. Gera~aodo Plasma

Para a fonnayao do plasma, nos usamos como fonte de tensao um transfonnador

AC - 60 Hz com capacidade de 3000 V. E e1e 0 responsavel pela gerayao do plasma

dentro da camara de deposiyao. Este transfonnador esta ligado diretamente as grades

descntas acima.

Obviamente, nao saD necessarios todos os 3000 V que 0 transfonnador pode

fomecer para que 0 plasma de silana seja fonnado. Para que pudessemos ter controle

sobre a tensao aplicada para fonnar 0 plasma, um variac foi adicionado em sene ao

transfonnador; com ele foi possivel obter uma variayao de 0-3000 V sobre a tensao de

saida do transfonnador. Como veremos na Seyao 5 deste trabalho, a tensao de trabalho

nao superou 500 V. Alem disso, uma resistencia de 5 ill foi adicionada em sene ao

transfonnador para que fosse possivel medir a queda de tensao no plasma, e assim

podennos ter uma ideia do valor da corrente no plasma. Este resultado e importante na

determinayao da potencia total necessaria para gerar 0 plasma.

3.6.2. Auxilio na Deposi~ao

E comum em reatores com os mesmos objetivos do nosso disporem de sistemas

auxiliares para a excitayao do plasma. Vma das ideias largamente usadas em reatores

de descarga luminescente e a utilizayao de uma tensao de polarizayao DC para auxiliar

as componentes moleculares do plasma a depositarem-se sobre 0 substrato aquecido;

como foi descrito na Se~ao 3.3.2., a utiliza~ao desta tensao de poariza~ao pode

melhorar tanto as propriedades do filme como a eficiencia do processo, elevando a

taxa de deposi~ao. Neste sentido, nos projetamos urna fonte de tensao DC, que pudesse

trabalhar na faixa de -100 ate +100 V, valores estes comurnente usados em reatores

similares. Esta fonte de tensao nao apresenta quaisquer novidades~ trata-se de urn

dispositivo usado apenas para converter a tensao altemada da rede eletrica em urna

tensao continua que possa ser variada de -100 a +100 V.

3.6.3. Controle da Temperatura de Deposi~ao

A temperatura do substrato e sem duvida urn dos principais parametros

envolvidos no processo de deposiyao de filmes finos por descarga luminescente. 0 seu

controle e entao de fundamental importancia para a obtenyao de filmes de boa

qualidade. Para suprir 0 porta-substrato de temperaturas de trabalho (da ordem de 200

°C), nos usamos uma resistencia eletrica especial para uso em vacuo, como mostrado

acima. Necessitamos entao de uma fonte de alimentayao para gerar corrente e1etrica

suficiente para que esta resistencia alcanyasse tal temperatura. Para este objetivo, nao e

necessano 0 uso de uma tensao DC, ja que a resistencia trabalha adequadamente com

tensoes AC. Usamos entao urn variac comum, ligado diretamente a rede e1etrica; 0

variac permite que, ao variarmos a tensao eletrica entre os terminais da resistencia, a

corrente eletrica que passa por e1apossa tambem ser controlada. Assim, conseguimos

uma relal;ao univoca entre a corrente aplicada na resistencia e a temperatura fmal do

porta-substrato.

E sabido que qualquer sistema tern uma detenninada inercia tennica, isto e,

demora um detenninado tempo para aquecer quando submetido a uma transferencia de

calor por contato. Sabendo disto, nos levantamos uma curva de resposta da

temperatura do substrato em funyao do tempo; isto foi feito para vanas correntes

aplicadas na resistencia, de forma que no final fosse possivel ter uma boa ideia de

quanto tempo 0 porta-substrato demora para atingir a temperatura de trabalho, e qual a

corrente eletrica era suficiente para chegar a determinada temperatura. A medida da

Em tennos da medida de pressao, duas sao as necessidades existentes em nosso

sistema:

i) a medida de alto-vacuo, feita no estagio anterior it deposi~ao, quando urn pre-

vacuo da ordem de 10-6 torr e feito dentro da camara de deposiyao;

ii) a medida de baixa pressao (alguns mili-torr), feita quando do processo de

deposiyao, quando os gases envolvidos sao inseridos na camara.

Para a medida de alto-vacuo, usamos urn medidor padrao do tipo Penning

comercial da marca Edwards, Modelo CP25EK. A cabeya do medidor esta inserida na

camara atraves do alimentador especialmente desenhado para este fun. Eles estao em

contato atraves de urna conexao do tipo KF-25, especial para vacuo. A cabeya esta

ligada a parte eletronica do medidor por cabos coaxiais.

Por sua vez, para a medida de baixas pressoes, usamos urn medidor comercial

do tipo baratron da marca MKS, Modelo 122A. 0 mesmo alimentador e usado para a

conexao deste medidor; 0 contato entre 0 alimentador e 0 baratron e feita por urna

conexao do tipo KF-16.

3.7.2. Medidor de Temperatura

Para medir a temperatura do substrato nos usamos urn termopar de Chromel-

Alurnel comercialligado a urn mili-voltimetro.

o termopar de Chromel-Alurnel foi escolhido por que ele e adequado para a

faixa de temperatura na qual estamos interessados em trabalhar.

3.7.3. Medidor da Tensao de Polariza~ao

Como colocado acima, a faixa de variayao da tensao de polarizayao esta entre -

100 e + 100 V. Para medir esta ordem de grandeza de tensao DC nos usamos urn

medidor analogico, similar aquele associado ao termopar, obviamente levando em

conta a faixa de tensao a ser medida por ele.

3.7.4. Medidor do Fluxo de Gases

A medida do fluxo de gases que entram na camara foi feita de maneira indireta,

ja que nao dispomos em nosso sistema de urn medidor de fluxo comercial do tipo

medidor de fluxo de massa. Assim, para estimar 0 fluxo nos medimos a variayao da

pressao dentro da camara com 0 tempo, mantendo 0 registro da bomba mecamca

conectada ao alimentador da saida de gases da camara fechado. Admitindo que os

gases envolvidos na deposiyao possam ser considerados ideais, obtemos uma relayao

entre a taxa de varia~ao de pressao e 0 fluxo de gases.

3.8. Componentes de Vacuo

Como ja foi discutido acima, antes da deposi~ao propriamente dita, e necessario

efetuar vacuo no sistema, levando-o a uma pressao da ordem de 10-6 torr. Para chegar

a este valor, nos optamos por utilizar uma bomba do tipo difusora~ para alcan~ar 0

vacuo desejado em urn tempo suficientemente curto, nos usamos uma bomba difusora

com capacidade de 800 lis, refrigerada a agua. Em nosso sistema, como componente

da bomba difusora, nos usamos uma bomba mecaruca Edwards Modelo E2M25 para 0

pre-vacuo. Uma valvula do tipo gaveta e usada para isolar a camara de deposi~ao da

bomba difusora. Para aurnentar a eficiencia deste sistema de vacuo, uma armadilha abase de nitrogenio liquido foi projetado para ser colocado entre a valvula gaveta e a

camara de deposicao. Alem de melhorar 0 vacuo do sistema, esta armadilha impede

que 0 oleo de silicone usado na bomba difusora suba ate a camara de deposicao, caso

algum problema com 0 sistema de refrigeracao aconte~a na bomba difusora.

Para 0 nosso sistema foi ainda projetado 0 uso de uma outra bomba mecanica,

usada exc1usivamente para evacuar a camara logo apos a deposi~ao. A presen~a desta

segunda bomba mecaruca ajuda a preservar a bomba difusora do contato com os gases

usados na deposi~ao. Urn contato destes gases com 0 oleo de silicone da bomba

difusora poderia diminuir 0 seu tempo de uso.

3.9. Preparacao dos Substratos para a DeposiCaoMuito cuidado deve ser tornado com os substratos usados para a produ~ao de

amostras. Qualquer contato manual, ou sujeira sobre os substratos podem prejudicar 0

produto final, deteriorando as propriedades desejadas pela presen9a de gordura ou

impurezas que prejudiquem a correta deposi9ao dos filmes.

Assirn, urn procedimento padrao e utilizado, visando garantir a lirnpeza do

substrato, antes de coloca-Io na camara para a deposi9ao. Tal procedimento serve tanto

para substratos de vidro, como para os de silicio policristalino, ambos usados para a

obten9ao dos filmes.

o procedirnento, passo a passo, e descrito a seguir:

i) 0 prirneiro passo e lavar 0 substrato com agua destilada;

ii) a seguir, introduzirnos 0 substrato em urn bequer com trigliceriglicol

levernente aquecido (em tomo de 40°C), para reduzir (e se possivel eliminar) gorduras

presentes sobre ele;

iii) novamente 0 substrato e lavado com agua destilada;

iv) a seguir, 0 substrato e lavado com rnetanol;

v) novamente 0 substrato e lavado com agua destilada;

vi) por firn, 0 substrato e seco com urn sopro de nitrogenio seco ultra-puro.

Apos a lirnpeza, os substratos sao fixados no porta-substrato com grampos

rnetalicos, que por sua vez sao presos a ele por parafusos.

Todo 0 procedirnento de limpeza e coloca9ao dos substratos na camara de

deposi9ao e feito com 0 operador vestido com luvas lirnpas e rnanuseando as amostras

com pin9as adequadas.

3.1 O. Opera~ao do ReatorUrna vista cornpleta do reator por nos projetado esta rnostrado na Figura 3.9 ..

Na Figura 3.10. podernos ver uma vista esquernatica, privilegiando 0 painel de

opera90es do reator.

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Fig. 3.10. Vista Esquematica do Reator de Descarga Luminescente a 60 Hz. com Destaque para 0

A sua opera9ao e bastante similar a de qualquer sistema onde vacuo esteja

envolvido. Inicialmente e necessario atingir urn vacuo da ordem de 10-6 torr, para

garantir que a camara de deposi9ao esteja livre de possiveis contaminantes, tais como

atomos de oxigenio e carbono, e vapores proveniented da agua e solventes usados. Isto

e feito colocando em opera9ao a bomba meccinicaauxiliar da bomba difusora ate que

urn vacuo da ordem de 10-6 torr seja atingido, e apos isto, ligando a resistencia da

bomba difusora. Apos urn tempo de cerca de 24 horas 0 sistema atinge 0 vacuo

desejado: isto significa que para uma deposiyao 0 sistema deve ser preparado com urn

dia de antecedencia. Para adiantar 0 processo, no mesmo dia de operayao da bomba

difusora, a resistencia usada para aquecer 0 porta-substrato e ligada na tensao

adequada para fomecer a temperatura desejada.

Na deposiyao propriamente dita, seguimos a seguinte ordem de abertura de

valvulas:

i) abrimos as villvulas dos gases envolvidos na deposi~ao;

ii) abrimos a valvula agulha do painel central do reator, permitindo que os gases

possam adentrar a camara de mistura;

iii) abrimos a valvula borboleta, permitindo que os gases possam chegar ate a

camara de deposi~ao.

A pressao dos gases para a deposi~ao e entao controlada atraves do manuseio da

valvula agulha, da valvula borboleta, e de uma outra valvula do tipo sanfonada,

colocada na saida da camara, em dire~ao a bomba mecanica usada na exaustao dos

gases.

A seguir, aplicamos a tensao AC entre as grades, de tal forma a gerar 0 plasma e

iniciar 0 processo de deposi~ao. A tensao no transformador e controlada de forma a

gerar urn plasma bastante tenue, garantindo que tal tensao seja apenas levemente

superior aquela necessaria para criar 0 plasma, segundo indica~ao da Lei de Paschen.

A tensao no transformador e mantida durante todo 0 tempo desejado para a

deposi~ao do filme. 0 tempo de deposi~ao e 0 parametro que nos usamos para estimar

a espessura do filme~ate urn tempo de 4 horas de deposi~ao existe urna rela~ao linear

entre 0 tempo e a espessura fmal dos filmes. Tempos da ordem de quatro horas

determinam filmes de cerca de 1 J1lll de espessura.

Apos 0 tempo desejado, a tensao no transformador e desligada, e as valvulas de

entrada de gases todas fechadas. Abrimos entao a valvula sanfonada e 0 sistema esta

pronto para fazer a evacua~ao da camara. Desligamos tambem a tensao na resistencia,

e deixamos 0 porta-substrato resfriar por inercia termica. Quando 0 porta-substrato

atinge a temperatura ambiente 0 reator e aberto, e as amostras saDretiradas dele. Neste

ponto, as amostras estao prontas para a caracterizayao segundo as tecnicas discutidas a

segmr.

3.11. Caracterizacao do ReatorVarios sao os parametros de deposi~ao que interferem nas propriedades fmais

dos filmes de a-Si:H, como foi descrito na Se~ao 3.3 deste trabalho. Entre eles

podemos citar a pressao de deposiyao, a temperatura do substrato, 0 fluxo dos gases, a

potencia usada para excitar 0 plasma, a utilizayao de urna tensao de polarizayao, a

presenya de urn campo magnetico de confinamento e a frequencia de excita~ao doplasma. Assim, para caracterizar 0 reator de descarga lwninescente a 60 Hz nos

procuramos variar cada urn destes parametros para a obten9ao de condi90es nas quais

ele pudesse fomecer filmes de a-Si:H de boa qualidade.

Em rela9ao it frequencia, este trabalho e todo dedicado ao estudo da deposi9ao

de a-Si:H usando 60 Hz como frequencia de excita9ao. Todos os nossos resultados saD

comparados com propriedades de filmes depositados de forma convencional, ou seja,

usando nidio-frequencia, normalmente a 13,56 MHz.

Em rela9ao ao campo magnetico para confmamento do plasma, a Se9ao 3.2.

mostra que em nosso sistema de deposi9ao nao existem bobinas onde seria aplicada

urna corrente para produzir 0 campo magnetico estatico. Desta forma, este parametro

nao sera considerado nesta analise.

Nosso sistema de deposi9ao preve a aplica9ao de urna tensao de polariza9ao,

como pode ser visto na Se9ao 3.2 .. Em algumas deposi90es nos usamos tensao de

polariza9ao de ate ±100 V; porem, como em todos estes casos os filmes mostram baixa

foto-sensibilidade, concluimos que urna tensao de polariza9ao conduz a filmes de

propriedades eletricas ruins.

Quanto it potencia usada para excitar 0 plasma, nos usamos urn truque base ado

na Lei de Paschen. Conforme descrito na Se9ao 3.2., esta lei relaciona a tensao de

sustenta9ao do plasma com 0 produto da pressao pela separa9ao entre os eletrodos.

Nos nao construimos 0 gnifico correspondente it Lei de Paschen; porem, nos usamos

urna tensao aplicada aos eletrodos levemente superior aquela necessaria para sustentar

o plasma* de acordo com a pressao dos gases na camara, Ual ores tipicos da tensao nos

eletrodos foram de 23. U*e a corrente medida atraves do plasma foi de cerca de 2 m<*

o que leva a urna potencia do plasma de cerca de /*6 V* correspondendo a urna

densidade de potencia de aproximadamente .*./ V-cm0,

Dm re/a7ao ao fluxo de gases* . reator foi caracterizado na deposi7ao de filmes

usando dois tipos de fluxo8

i( urn* chamado de fluxo baixo* correspondendo a cerca de /. cm1-min9

ii( e 9 segundo* chamado de fluxo alto* correspondendo a cerca de /..

cm1-min,

<ssim* desconsiderando . fluxo de gases e a potencia do plasma* esta ultima

mantida fixa ao longo da deposi7ao* e escolhendo apenas duas posi7.es para 9 fluxo*

os parametros que realmente variamos para caracterizar . reator foram a pressao de

deposi7ao e a temperatura do substrato,

SECA04

CARACTERIZACAO DOS FILMES

4.1. IntroducioNesta Sel;ao faremos uma descril;ao das tecnicas por nos utilizadas para

caracterizar as propriedades do silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) obtido por

descarga luminescente a baixa frequencia, no sistema de deposi9ao descrito na Se9ao 3

deste trabalho.Na etapa de desenvolvimento do projeto de obten~ao dos filmes de a-Si:H por

descarga luminescente (glow discharge) a 60 Hz, a caracteriza<;ao dos filmes teve

como objetivos principais, primeiro obter os parametros nos quais 0 reator produz

filmes de qualidade eletronica, e posteriormente levantar dados de algumas

propriedades estruturais e de transporte deste material.

Para a primeira parte da caracteriza<;ao, que podemos chamar mats

propriamente de caracteriza~ao do reator, nos elegemos como propriedades

fundamentais a condutividade no escuro 0d e a foto-sensibilidade F..f) (a razao entre a

fotocondutividade 0ph e ad) do material. Na medida de ad, aproveitamos 0 sistema

experimental para medir tambem a energia de ativa<;ao Ea do processo de condu<;ao~

este resultado, mais a medida do gap optico fomece uma boa indica<;ao do valor do

Nivel de Fermi do material, como veremos a seguir. Na caracteriza<;ao do reator nos

tambem investigamos propriedades estruturais dos filmes, mais especificamente 0

nUmero de liga<;oes SiH e SiH2, atraves de medidas de transmitancia no infra-vermelho

distante.

Conforme foi discutido na Se<;ao3.11. deste trabalho, os parametros variados na

caracteriza<;ao do reator foram a pressao de deposi<;ao e a temperatura do substrato. A

pressao de deposi<;ao foi variada desde 0, I torr ate 2,0 torr, enquanto que a

temperatura foi variada na faixa de 50 a 250°C. Para os resultados mostrados ainda

nesta Se<;ao, quando a pressao de deposi<;ao e variada a temperatura do substrato e

mantida em 170°C, ao passo que quando variamos a temperatura do substrato a

pressao de deposi~ao e mantida a 0,5 torr. As razoes para estas escolhas ficarao c1aras

no re1ato a seguir.

Para os filmes de qualidade eletronica (segundo indica~ao de f:r;;; e de ad)

realizamos medidas complementares para aferir propriedades estruturais e de

transporte. No caso da estrutura, nos medimos a Energia de Urbach Eo do material,

uma indica~ao da desordem estrutural presente nos filmes66; a tecnica por nos usada

para medir 0 Urbach edge e conhecida por Constant Photocurrent Method (CPM). No

caso do transporte de portadores, nos medimos 0 comprimento de difusao ambipolar

L(b atraves da tecnica conhecida como Steady State Photocarrier Grating (SSPG). Para

efeito de compara<;ao, estas propriedades foram medidas em dois tipos de fUmes:

i) urn primeiro tipo, depositado em condi<;5es otimas, quais sejam pressao de

deposi<;ao de 0,5 torr, temperatura de substrato de 170°C, e fluxo alto~

ii) urn segundo tipo, depositado ainda em condi<;5es otimas, porem agora com 0

fluxo baixo.

As propriedades destes dois tipos de fiImes foram tambem comparadas com as

de urn depositado segundo procedimento padrao, qual seja descarga luminescente a

RF.

Em rela<;ao as propriedades, podemos classificar a caracteriza<;ao por nos

realizada em tres tipos basicas:

i) caracteriza<;ao eletrica e eletro-optica,

ii) caracteriza<;ao optica,

iii) e caracteriza<;ao estrutural.

Passamos agora a descrever cada uma das tecnicas usadas na caracteriza<;ao dos

filmes de a-Si:H, segundo a divisao apontada acima. No fmal da descri<;ao das

tecnicas, nos mostramos os resultados obtidos para os filmes obtidos no reator a 60 Hz.

4.2. Caracterizacao Eletrica e Eletro-6pticaNeste item descreveremos as tecnicas eletricas e eletro-6pticas usadas para

caracterizar os filmes de a-Si:H. Aqui, damos enfase nas medidas relacionadas com a

fotocondutividade (a propria aph' a medida do parametro I, e a medida do

comprimento de difusao ambipolar Lei)' mais a medida da condutividade no escuro ad'

No que diz respeito it medida de aph e a de 1 seremos bastante genericos, ja que

tratam-se de tecnicas bastante conhecidas; por outro lado, na medida de Ld seremos

detalhistas, ja que trata-se de uma tecnica recente, elegante, prMica, e segundo nosso

conhecimento ate agora inedita no Brasil.

4.2.1. Fotocondutividade

Os filmes fmos de a-Si:H caracterizam-se pelo elevado valor da sua foto-

sensibilidade~ os melhores resultados indicam valores da ordem de 105 para esta

propriedade. Isto significa que amostras de qualidade eletronica de a-Si:H devem

apresentar, simultaneamente, alta fotocondutividade e baixa condutividade no escuro.

Dai, tomarem-se imperiosas as medidas destas propriedades.

A fotocondutividade e urn incremento na condutividade eletrica a partir da

gera~ao de pares eIetrons-buracos no interior do semicondutor pela absor~ao de fotons

incidentes originarios de urna fonte de radia~ao eletromagnetica. 0 a-Si:H tern como

caracteristica principal 0 fato desta absor~ao de fotons ocorrer primordialmente na

regiao de emissao do espectro solar. Isto faz com que este material tenha aplica~5es

6bvias em dispositivos que utilizem a conversao fotovoltaica.

A absor~ao fundamental ocorre quando urn eletron e excitado a partir da banda

de valencia para a banda de condu~ao atraves da absor~ao de urn foton. Apesar da

descri~ao em termos de bandas de energia ser tipica de materiais cristalinos, e possivel

a utiliza~ao destes termos para 0 a-Si:H; neste caso, as bandas de energia saD

originarias das configura~5es ligante e anti-ligante das liga~5es quimicas Si-Si

presentes no solido; nesta descri~ao, 0 elevado niunero de estados presentes no gap e

explicado pelas liga~5es quimicas Si-H, cuja energia se localiza exatamente entre as

energias dos estados ligante e anti-ligante67.

use - SERVlc;O Dc:: BIBLIOTECAINFOR~p At:;,ii.O

o fenomeno da condu9ao e de especial interesse no estudo da fisica dos

semicondutores. A condu9ao consiste no movimento dos eletrons e buracos, e so e

possivel quando urna certa quantidade de energia cinetica pode ser transferida aos

portadores. Isto ocorre quando a energia dos fotons que incidem sobre 0 semicondutor

e suficiente para vencer 0 seu gap de energia.

Em geral, a fotocondutividade e medida com urna luz branca, cuja potencia e

controlada por urna fonte estabilizada e medida por urn dispositivo fotovoltaico

calibrado. Por motivos de facilidade, nos optamos por usar como fonte de excita9ao

lurninosa urn laser de He-Ne (I-. = 0,6328 JlI1l) cuja potencia e de 5 mW; este

comprimento de onda e suficiente para excitar portadores acima da banda de

condu9ao, ja que 0 gap de energia deste material nao excede a 1,8 eV, 0 que

corresponde a I-. = 0,6875 /-lm.

o dispositivo experimental usado para medir a fotocondutividade e bastante

simples, consistindo apenas de urn laser He-Ne Modelo HN-40-P da Carl Zeiss, e de

urn espelho convexo, cuja fun9aO e abrir 0 feixe laser de forma que 0 seu spot cubra

toda a regiao entre os contatos eletricos. Estes contatos consistem de duas faixas

coplanares (largura de 1 mm e espa9amento de 0,5 mm) de tinta prata ou aluminio. A

fonte de tensao e 0 eletrometro estao agrupados no mesmo equipamento, urn

eletrometro Keithley Modelo 617; para as medidas de corrente usamos urna tensao de

40 V. Urn esquema experimental deste dispositivo pode ser visto na Figura 4.1.. Com

este arranjo, 0 valor da fotocondutividade e dado por:

ICYph=--Iph.

edV

onde I e 0 comprimento dos contatos, d 0 espa9amento entre eles, e a espessura da

amostra, V a tensao aplicada entre os contatos, e Iph a fotocorrente medida no

eletrometro.

"~l--JV

amostra

Embora 0 a-Si:H seja fortemente fotocondutor, 0 conhecimento do valor da sua

condutividade no escuro e muito importante na caracteriza~ao deste material. A razao

para este fato reside em que a qualidade do filme depositado pode ser averiguada

quando a condutividade e medida em fun~ao da temperatura.

Se 0 filme de a-Si:H apresentar boa qualidade, devemos esperar urn

comportamento do tipo Arrhenius para a condutividade68, isto e:

CYd = cyoexp( _ Ea),

kBT

que e caracterisitica de sistemas termicamente ativados; na Equa~ao (4-2), Ea e a

energia de ativa~ao do processo de condu~ao, kB e a constante de Boltzmann eTa

temperatura da amostra.

Caso a qualidade do filme depositado nao seJa boa, devemos esperar urn

comportamento diferente para a condutividade. Como e conhecido, urna das principais

caracterisiticas do a-Si:H e apresentar uma elevada densidade de estados no gap;

quando isto acontece, urna outra possibilidade para 0 processo de condu~ao e 0 saito

(hopping) dos portadores de estado para estado dentro do gap, ate que estes alcancem

a banda de condu~ao. Este processo e bastante ineficiente, urna vez que os portadores

tern que passar por inu.meros estados intermediarios ate chegarem a banda de

condu~ao. 0 processo de condu~ao por saltos em materiais nao-cristalinos foi

dwsdmrhu_ldmsddrstc_cn onq Lnss58+d rt_ sdnqh_o_q_drsdshoncd bnmctz_n _oqdrdms_

n rdfthmsd qdrtks_cn o_q_ / bnlonqs_ldmsn c_ bnmctshuhc_cd dl etmz_n c_

sdlodq_stq_9

(3,2)

nmcd555 d G r_n bnmrs_msdrptd cdodmcdl c_ drsqtstq_ dkdsqnmhb_cnr drs_cnr cn pi~0

Bnln oncd rdq uhrsnodk_ Dpt_b:_n(3,2)+ / bnlonqs_ldmsn c_ dnmctshuhc_cdbnl _

sdlodq_stq_ dnmrhcdq_mcn_odm_r_ dnmcl:_n onq r_ksnr d dnlokds_ldmsd chedqdmsd

c_ptdkd kdu_mcndl dnms_tqmoqnddrrn cn shon<qqgdmhtr-

Drs_ chedqdmz_odqlhsd tr_q _ ldchc_ c_ dnmctshuhc_cddkdsqhd_dl etmz_n c_

sdlodq_stq_ o_q_ sdq tqm_ hmchd_z_nrnaqd _ pt_khc_cd cn sGld9 ehkldr cd an_

pt_khc_cd cdudl nadcdddq _ Dpt_z_n (3,1)+ dmpt_msnptd ehkldr cd ohnqpt_khc_cd

nadcdddl _ Dpt_z_n (3,2)+ i_ ptd mdrsdd_rn B l_sdqh_konrrth tqm metmdqnlthsn

fq_mcdcd drs_cnr mnpi~0

Onq etm+ b_rn / ehkld cd i.csDP rdI_ cd an_ pt_khc_cd+drs_ ldchc_ c_

bnmctshuhc_cdmndrdtqn dl etmz_n c_ sdlodq_stq_ oncd _hmc_enldbdq hmenql_zndr

rnaqd B Mhudkcd Edqlh cn l_sdqh_k-< o_qshqc_ Dpt_z_n (3,1)+ e_ydmcntqmfq_esdncd

LOH:OFT:L>FI nasdlnr chqds_ldmsdB u_knqc_ dmdqfh_cd _shu_z_nLi0 MZonrrhudk+_

o_qshqcd oqhldhqnroqhmbhohnr+nasdqtqm_dwoqdrr_no_q_2 i dl etmz_n cd fq_mcdy_r

l_hr etmc_ldms_hr- Rdfthmcn B d_kbtkn rtfdqhcn onq Lnss d C_uhdr6/+ nasdlnr B

rdfthmsdqdrtks_cno_q__ dmdqfh_cd _shu_z_n9

nmcdLH dn u_knqcn pi~ cd dmdqfh_cn l_sdqh_k+d L3 / rdt Mhudkcd Edqlh-

< ldchc_ c_ dnmctshuhc_cdmndrdtqn+d hmchqds_ldmsdc_ dmdqfh_cd _shu_z_n

cn oqnddrrn cd dnmctz_n+dmunkud_ dkdu_z_nc_ sdlodq_stq_ c_ _lnrsq_ _ tqmu_knq

ldmnq cn ptd _ sdlodq_stq_ cd cdonrhz_n+onhr b_rn bnmsmln ltc_mz_r drsqtstq_hr

oncdl nbnqqdqmnl_sdqh_k-Dl sdqlnr omhshbnr+mdrsddwodqhldmsn_ sdlodq_stq_ cdud

rdq d0du_c__sd bdqb_cd 07/ }B: drs_ d tl_ sdlodq_stq_ rtehbhdmsdldmsddkdu_c_o_q_

ptd+ b_rn dkdrdi_ bnmctyhcn dl _slnredq_ _lahdmsd+_ _lnrsq_ rdi_ bnms_lhm_c_onq

f_rdr _hoqdrdmsdr+oqhmbho_kldmsdnwhfdmhnd b_qanmn-

O_q_rtodq_q drs_ chehbtkc_cd+oqnids_lnr tl_ b_l_q_ lds_khb_ ptd otcdrrd rdq

du_bt_c_+ m_pt_k / dwodqhldmsnenhbnmctyhcn- Sq_s_,rd cd tl_ b_l_q_ rhlokdr+ snc_

d0_cd _xn hmnwhc_ud0+bnl rdhr dmsq_c_rk_sdq_hr+rdmcn tl_ cdk_r cdrshm_c_o_q_ _r

anla _r cd u_btn: _r cdl_hr r_n _khldms_cnqdr sonnm.Zr·z[pr•, cdrshm_cnr o_q_ B

ldchcnq cd u_btn+ bnms_snr dkdsqhbnrdmsqd_ enmsdcd sdmr_n.dkdsqnldsqn d _ _lnrsq_+

qdrhrsdmbh_o_q_ B _ptdbhldmsn c_ _lnrsq_+ ehno_q_ B sdqlno_q+ d tqm_ bnmdw_no_q_ B

ektwn cd MD rdbn- / _ptdbhldmsn c_ _lnrsq_ d f_q_mshcnodk_ dwhrsdmbh_cd tqm_ a_rd

cd k_s_nm_ pt_k drs_n hmrdqhc_rct_r qdrhrsdmbh_rdkdsqhb_rcn shon b_qstbgn cd 64/ V

b_c_ tqm_-Tqmdrptdl_ cdrs_ b_l_q_ drs_ lnrsq_c_ m_Ehftq_ 3-1--

Tqmchronrhshun cn shon ohmz_bnl oqdrr_n enhoqnids_cn o_q_ rdquhqcd bnms_sn

dkdsqhbndmsqdnr bnms_snr lds_Hhbnr rnaqd _ _lnrsq_ d nr ehnr ptd r_dl c_ enmsdcd

sdmr_n.dkdsqnldsqn- / sdqlno_q s_ladl d oqdrrhnm_cn rnaqd _ _lnrsq_ bnl tqm_ohmz_

cdrsd shon+r5 ptd drs_ Tkshl_ onrrth m_dwsqdlhc_cd tqm odc_zn cd sdeknmo_q_ e_ydqB

hrnk_ldmsn dkdsqhbn-/ sdqlno_q drs_ khf_cn _ tqm dkdsqnldsqn _m_k5fhbn Jdhsgkdx

Lncd0n 50N,B- S_msn / rhm_kptd udl cn dkdsqnldsqn chfhs_k(ptd ldcd _ bnqqdmsd

dkdsqhb_)pt_msn B ptd udl cn d0dsqnldsqn _m_05fhbn(ptd ldcd tqm_ chedqdmz_cd

onsdmbh_k _rrnbh_c_ _ sdlodq_stq_) drs_n khf_cnr _ tqm lhbqnbnlots_cnq WS+

qdronmr_udkodk_ _pthrhz_n cnr c_cnr cdrs_ dwodqhdmbh_-Tqmoqnfq_l_ cd bnlots_cnq

drodbh_kldmsd oqnids_cn o_q_ drsd etm bnmudqsd _ ldchc_ cd bnqqdmsd dl

bnmctshuhc_cd+d _ ldchc_ c_ cco mn sdqlno_q dl sdlodq_stq_ _arnkts_- Onqetm+bnl

n qdrtks_cn bnmudqshcndl tqm_ s_adk_+d onrrhudk bnmrsqthqtqm fq_ehbn 5N:fFT:L Rd,- d+

b_rn dkdrd lnrsqd tqm_khmg_qds_+dwsq_hqcdkdB u_knqc_ dmdqfh_cd _shu_z_n-

pin~as

aquecedor

A medida pura e simples da condutividade no escuro e feita neste mesmo

sistema, agora mantido a temperatura ambiente, com a camara coberta com a mesma

tampa usada para fazer 0 vacuo. Neste caso, bem como na situa9ao em que a

temperatura varia, a condutividade no escuro e dada por:

onde led saD grandezas geometricas associadas aos contatos, e a espessura, Va tensao

aplicada nos contatos, e Jd a corrente de escuro medida no eletrometro.

4.2.3. Foto-Sensibilidade

A foto-sensibilidade FS e simplesmente definida como sendo a razao entre a

fotocondutividade 0ph e a condutividade no escuro ad. Assim sendo, temos que:

FS = aph.

ad

Na realidade, a foto-sensibililidade e uma medida de quaD grande e a influencia

da luz nas propriedades de transporte do semicondutor. No caso do a-Si:H, e desejavel

que os filmes tenham a maior FS possive1, devido a sua aplicabilidade em dispositivos

fotovoltaicos.

A obten~ao de FS e imediata, a partir das medidas feitas como descritas nos

itens anteriores. Assim, admitindo que os contatos sejam os mesmos nos dois casos, e

que a tensao aplicada tambem seja a mesma, usando a Equa~ao (4-1) e a Equa~ao (4-

5), temos que:

FS = Ip~.Id

(4-7)

Como comentado acima, a fotocondutividade e uma alterac;aona condutividade

eletrica quando um material e exposto a radiac;ao eletromagnetica. Urn excesso na

condutividade 0ph aparece, se sob a ac;aoda luz absorvida, as densidades de portadores

n (eletrons) e p (buracos) aumentam quando comparados com seus valores no

equilibrio termico. Assim, a fotocondutividade e escrita como sendo:

onde e e a carga eletrica elementar, L1n eL1p os excessos nas densidades de portadores

devido a luz absorvida, e f.Jn,p as mobilidades destes portadores. Em estado

estacionario, os excessos nas densidades sao iguais ao produto da taxa de gerac;aode

portadores G (isto e, 0 nfunero de portadores gerados por unidade de tempo, por

unidade de volume) pelo seu respectivo tempo de vida rn,p; assim:

(4-9-a)

(4-9-b)

o nfunero de portadores em nao-equilibrio existe ate que eles desapare~am por

recombina~ao, 0 que pode ocorrer, em geral atraves de tres processos:

i) recombina~ao direta de urn eletron livre com urn buraco livre,

ii) captura de urn eletron por urn centro no qual urn buraco esta localizado,

iii) captura de urn buraco por urn centro no qual existe urn eletron ligado.

Se apenas urn tipo de centro de recombina~ao esta presente, 0 tempo de

recombina~ao de nao-equilibrio e govemado pelo processo de captura do eletron e

subsequente captura do buraco pelos niveis locais do centro dominante. Contudo,

quando diferentes centros de defeitos atuam como niveis de armadilhas e/ourecombina~ao, a analise toma-se muito mais complicada urna vez que e preciso

considerar urna serie de possiveis transi~5es para eletrons e buracos, e entao escrever

equa~5es correspondentes que descrevam a taxa de altera~ao na ocupa~ao destes

niveis. Este e 0 caso dos semicondutores amorfos, em particular do a-Si:H.

A taxa de varia~ao de portadores, quer sejam eles eletrons ou buracos e igual ataxa de gera~ao G menos a taxa de recombinal;ao R. Para eletrons, temos por exemplo

8M =G -R.it

No entanto, para urna melhor compreensao dos resultados experimentais da

fotocondutividade, vamos considerar urn modelo simples de semicondutor com apenas

urn tipo de centro de recombinal;ao71. Admitindo que urn excesso na densidade de

eletrons L1n e estabelecida por urna excital;ao luminosa, que 0 material seja intrinseco

(isto e, no =Po), e que a neutralidade de carga espacial seja mantida (isto e, L1n = L1p),

temos entao que a taxa de varial;ao do excesso de portadores e escrita na forma:

onde no e a densidade dos portadores disponiveis para recombinarem-se com 0 excesso

de portadores, en e 0 coeficiente de captura (isto e, 0 produto da se~ao de choque para

a captura de eletrons livres na recombinayao pela velocidade termica media dos

portadores), e N, e a concentrayao dos centros de recombina~ao. No estado

estaciomirio vale que:

oM =0it ' (4-12)

Desta forma, obtemos a seguinte expressao para a taxa de gera~ao de

portadores:

Esta rela~ao fomece uma visao direta da dependencia de An com a taxa de gera~ao de

portadores. Mas G esta relacionada com a intensidade da luz 1 atraves da rela~ao:

onde a e 0 coeficiente de absor~ao do material para uma frequencia da luz m.

A Equa~ao (4-14) mostra dois comportamentos para An em rela~ao it

intensidade 1:

i) no regime em que no > > An, isto e, 0 excesso de portadores induzidos por luz

e muito menor do que aqueles existentes em equilibrio termico, temos entao:

57

L1n = 'la I.2nOJCnno

(4-16)

ii) par outro lado, quando no « Ltn, temos entao que:

(4-17)

Por outro lado, a partir da Equa~ao (4-8), e levando em conta a neutralidade de

carga, a fotocondutividade e proporcional a L1n, isto e:

Isto significa que na situa~ao i) a fotocondutividade e proporcional it intensidade da

luz, ao pas so que na situa~ao ii) ela e proporcional it raiz quadrada de 1.

A descri~ao acima e bastante simplificada, e a principio serve para qualquer

tipo de semicondutor. Para 0 a-Si:H, no entanto, nem 0 coeficiente da intensidade e 1,

nem 1/2. Segundo Rosen, 0 comportamento de 0ph em rela~ao it intensidade para

materiais desordenados e da forma:

onde 0 / e urn fator entre 1/2 e 1. Em / esta inserida a dependencia da taxa de

recombina~ao com a concentra~ao de portadores, alem da complexidade dos processos

recombinantes.

A analise feita acima mostra a importancia da medida de /. Para 0 a-Si:H, onde

e desejavel que tenhamos urn grande excesso de portadores devido it luz, 0

comportamento esperado para a fotocondutividade e aquele mostrado pela Equa~ao (4-

17), isto e que 0 fator l' seja proximo de 1/2. Desta forma, valores de /' pr6ximos de 1

58

indicariam que 0 nimero de portadores gerados pela luz nao e significante, e entao 0

material nao seria de boa qualidade.

o processo de medida deste fator e bastante simples. Com 0 mesmo sistema

experimental usado para medir a fotocondutividade, e com 0 auxilio de filtros neutros

para A = 0,6328 ~, montamos 0 sistema mostrado na Figura 4.3 .. Usando urn

conjunto de filtros neutros na faixa de 600/0 a 30/0 de redu~ao da intensidade de luz, epossivel varrer urna escala de 3 ou mais ordens de grandeza na intensidade da luz; para

cada arranjo de filtros medimos a fotocorrente, e a partir da Equa~ao (4-1) obtemos 0

valor de 0ph . A partir dai, levantando urn grcifico de log(opJJ x log(l), detenninamos 0

valor de i como sendo a tangente da reta em questao.

4.2.5. A Medida do Comprimento de Difusao Ambipolar

E bem conhecido que os panlmetros vitais que determinam a opera~ao de

dispositivos fotovoltaicos sao determinados pelo comprimento de difusao de

portadores minorit3.rios. 0 conhecimento de valores precisos deste parametro e ainda

mais importante quando os dispositivos sao construidos a partir de semicondutores

amorfos 73, ja que neste caso as propriedades eletronicas sao extremamente

dependentes da absor~ao da luz pelo material. Vma tecnica bastante usada na

determina~ao do comprimento de difusao, principalmente em semicondutores

cristalinos, e a medida de fotovoltagem superficial (SPV, (iurjace Photovoltage

Methodf4,75; esta tecnica apresenta como dificuldade principal, a necessidade do uso

de sondas especiais que detectem a fotovoltagem superficial, 0 que toma 0 sistema

experimental bastante complexo. Alem disso, esta tecnica mostrou-se inapropriada

para 0 silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H).

Duas tecnicas mais recentes utilizam a indu~ao de uma grade de fotoportadores

atraves da interferencia de luz coerente para 0 estudo da difusao dos portadores em

semicondutores, particularmente em a-Si:H. Vma delas e conhecida como tecnica de

grade transit6ria (TG, Iransient Grating)76.77,e a outra como tecnica de grade de

fotoportadores em estado estacionario (SSPG, ~teady ~tate Photocarrier Grating)78.79.

Como 0 proprio nome ja diz, a tecnica TG e feito em regime transitorio e a tecnica de

SSPG em regime estaciommo.

Na tecnica TG, 0 padrao de interferencia produz urna varia~ao senoidal na

concentra~ao dos fotoportadores, 0 que induz urna mudan~a periodica no indice de

refra~ao e no coeficiente de absor~ao do material. 0 movimento dos fotoportadores

devido a difusao e entao monitorado pela evolu~ao temporal da luz difratada por esta

grade.

Na tecnica de SSPG, sugerido por Ritter et a(78, determinamos 0 comprimento

de difusao ambipolar, 0 qual esta relacionado com 0 comprimento de difusao dos

portadores minoritarios. Este metodo e baseado no estabelecimento de urna grade de

fotoportadores na amostra, seguida da medida das fotocondutividades na presen~a e na

ausencia desta grade. A existencia de difusao dos fotoportadores faz com que esta

grade seja diferente daquela induzida pelo laser, ja que a difusao "borra" este perfil;

assim, a difusao produz urna mudan~a na fotocondutividade, que depende da rela~ao

entre 0 periodo da grade e 0 comprimento de difusao. Esta nova tecnica e de facil

medida e e atualmente amplamente empregada na determina~ao do comprimento de

difusao ambipolar de fotoportadores em amostras de a-Si:H obtido por descarga

luminescente (GD).

A grande limita~ao desta tecnica e 0 uso da hipotese da neutralidade da carga

espacial, a qual e assumida formalmente na obten~ao das equa~oes que regem 0

transporte ambipolar, mas que nem sempre e verdadeiro na pratica. Trata-se de urn

assunto muito estudado atualmente79,80, e muito complexo, merecendo ainda estudos

para ser possivel chegar a conclusoes definitivas. Aqui, os valores do comprimento de

difusao ambipolar sao obtidos considerando que 0 material nao sofre efeito da carga

espacial, e as condiyoes experimentais de intensidade de luz e de campo aplicado estao

no regime de difusao ambipolar. No entanto, faremos uma breve discussao sobre a

influencia da nao-neutralidade da carga sobre os resultados obtidos pela tecnica.

Aqui mostraremos os fundamentos te6ricos e experimentais, envolvidos na

tecnica de SSPG, e a possivel aplicayao deste metodo como uma tecnica

suficientemente precisa, a ser usada para medida do comprimento de difusao dos

fotoportadores minoritarios em filmes fmos de a-Si:H80. Este mesmo sistema

experimental tern ganho extrema importancia para medidas do produto das variaveis

mobilidade-tempo de vida (fJr) dos dois tipos de portadores de carga81,82; estes

parametros contem informa~oes a respeito do mecanismo de transporte (f.J) e 0

mecanismo de cinetica de recombina~ao (r).

A interferencia entre dois feixes de luz tern sido largamente utilizada na medida

do comprimento de difusao do excesso de portadores em semicondutores. A tecnica

conhecida como SSPG envolve 0 uso de uma grade de fotoportadores produzida pela

interferencia de dois feixes de luz laser coerente. Devido a intensidade da luz usada ser

suficientemente fraca, esta tecnica tern 0 merito de ser livre de qualquer efeito termico

que porventura possa contribuir para a forma~ao da grade. Nesta tecnica a grade de

fotoportadores tern uma pequena modula~ao que pode ser tratada como uma

perturba~ao da ilumina~ao de fundo uniforme. Desta forma, um tratamento matematico

linear se justifica83 .

Para obter as equa~oes que regem os fen6menos envolvidos na tecnica SSPG e

usado um formalismo para as equa~oes de transporte de portadores baseado no

conceito de mobilidade de arraste, ao inves do conceito de mobilidade de portadores

livres. Esta aproxima~ao e mais geral do que 0 modelo que assume apenas transporte

por estados estendidos, uma vez que ela inclui 0 caso de condu~ao por saltos. Vma

vantagem adicional desta aproxima~ao e que, quando ela trata do transporte ambipolar

naturalmente surge a hipotese da neutralidade da carga, isto e, admite-se que 0 excesso

de concentrayoes de eletrons e buracos sejam iguais. Esta hipotese e mais facilmente

incorporada no fonnalismo que inclui 0 niunero total de portadores fotoexcitados, aMm

dos portadores livres.

o ponto de partida para obter as equa~oes de transporte que regem esta tecnica

e escrever a Equa~ao da Continuidade para 0 transporte de eletrons e buracos no

semicondutor quando este e iluminado. Ela e escrita levando em conta as

contribui~oes do arraste e da difusao dos fotoportadores. A dependencia temporal das

concentrayoes de eletrons (N) e de buracos (P) surge devido it gerayao e recombina~ao

destes portadores. Consideremos que ocorra uma pequena perturba~ao na outrora

constante taxa de gera~ao G, de forma que tenhamos, aMmda contribui~ao uniforme

Go, uma contribui~ao adicional .dG. 0 efeito desta perturba~ao sobre a Equa~ao da

Continuidade e toma-Ia agora:

-Ji p L1PV· E - Ji~ E .VL1P +D p ?'L1P + L1G - L1R =O.

Na Equa~ao (4-20) f.1n e f.1p sao os valores medios das mobilidades de arraste

para eletrons e buracos, respectivamente, em rela~ao a concentra~ao de portadores83,

Dn e Dp sao os coeficientes de difusao para eletrons e buracos, respectivamente, e L1N

e jjp sao os excessos de concentra~ao de eletrons e buracos, respectivamente, devido aperturba~ao LtG, E 0 campo eletrico e .t1R a taxa de recombina~ao devida ao excesso

de concentra~ao de portadores.

Para obtermos uma equa~ao ambipolar (valida tanto para eletrons como para

buracos) devemos acrescentar a Equa~ao de Poisson, a qual acopla as expressoes da

Equa~ao (4-20)84. No regime de tempo de vida, localmente observa-se que:

(4-21)

Levando-se em conta a Equa9ao (4-21) podemos combinar 0 conjunto de expressoes

da Equa9ao (4-20) de maneira adequada em uma imica equa9ao de transporte

ambipolar:

(4-22)

D = _J.L_p_D_n_+_J.L_'_1D_p_

J.Ln + J.Lp

sao a mobilidade de arraste ambipolar e a constante de difusao ambipolar,

respectivamente. Note que, pela Equa~ao (4-23-a) a mobilidade ambipolar nao e nula,

como seria 0 caso para urn semicondutor intrinseco. Isto toma necessiuio formular urna

hip6tese adicional: admite-se que as densidades de estados responsaveis pela

mobilidade de eletrons e buracos tenham 0 mesmo comportamento exponencial83, 0

que implica que a mobilidade de arraste ambipolar seja nula. Admitindo este fato como

verdadeiro, obtem-se a seguinte equa~ao que rege a difusao do excesso de portadores:

A taxa de recombinayao L1R e formulada de wna maneira fenomenol6gica para

impedir a restriyao a qualquer mecanismo de recombinayao especifico. Defmindo r

como sendo 0 tempo de recombinayao comum a eletrons e buracos no regime de tempo

de vida, a taxa de recombinayao L1R e dada entao por:

&=AN.r

(4-25)

Chega-se entao it seguinte expressao para 0 transporte ambipolar do excesso de

portadores:

L~?LW -LW + riJG =0,

sendo defmido como 0 comprimento de difusao ambipolar do semicondutor.

Admitamos que a perturba~ao L1G seja modulada apenas na dire~ao

perpendicular aos feixes de luz responsciveispela interferencia. Neste caso, a Equa~ao

(4-26) se reduz a uma equa~ao diferencial de segunda ordem, a apenas uma variavel, a

qual chamaremos x. Assim, temos:

d2 LW(x)L~ ., -LW(x) + riJG(x) =0.

d:c

A Equa~ao (4-28) supoe que as amostras sejam suficientemente fmas, de tal

forma que seja possivel admitir que a absor~ao de luz na dire~ao perpendicular ao

plano da amostra seja uniforme; desta forma, a difusao de portadores nesta dire~ao

pode ser desprezada, <Lm disso*desprezamos tambem a ocorrencia de recombina7ao

superlicial*que resultaria nurna inhomogeneidade adicional naquela dire7ao,

<te agora pouco foi falado a respeito do comportamento de 5g2:HFJ apenas

que devido a caracteristica de interferencia dos dois feixes de luz que incidem sobre 9

semicondutor* 5g2:HF modula urna grade de interferencia sobre ele, Bonsiderando dois

feixes de luz coerentes* de intensidades H_e S1 incidindo sobre a superficie do

semicondutor*a intensidade de luz resultante sobre ela e dada por8

onde ; ; ;-.5 odk""0( e 9 periodo da grade de interferencia formado sobre a superficie

do semicondutor* ; 9 comprimento de onda da luz incidente* e ¥39 angulo formado

pelos dois feixes, . parametro /AE e urn fator que varia entre . e /* associado aeficiencia na forma7ao do padrao de interferencia,

< taxa de gera7ao de portadores e diretamente proporcional t intensidade da luz

que incide sobre 9 semicondutor*de forma que a taxa de gera7ao total F"u' e dada por8

F"u' :FMWh (5vl L blo"51hVH_-:4<Ig5' r

onde Fl e a taxa de gera7ao de fotoportadores devido a parte uniforme da intensidade

da luz, < partir da Dqua7ao '2+1.( e possivel dividir F"u' em duas partes* urna

composta da parte espacialmente uniforme Fl e outra composta pela parte nao

uniforme 5g2:HF devido a interferencia entre os dois feixes H_e S6<ssim* temos que8

L '0/lWII1F"u' :5Flvl , blo , -4<Ig5 r

Ldnc 2 lSioZLIHHe Y6MHOQObVemSPN SZdTPi`,NLIHH1N1e

Substituindo a Equa~ao (4-31) na Equa~ao (4-28) obtemos a fonna fmal da

equa~ao diferencial para a concentra~ao do excesso de portadores, a qual e dada por:

(4-32)

A solucao para a Equacao (4-32) e uma expressao da fonna:

Como vemos, a concentra~ao total de portadores e composta de uma parte

uniforme No (proveniente da taxa de gera~ao Go) e de uma componente nao uniforme

.&V(x). Analogamente a este resultado, e possivel escrever a fotocondutividade total do

semicondutor 0ph(X) como sendo composta de uma componente uniforme 0phO e de

uma componente nao uniforme L1oph(x). Levando em conta que a resposta da

fotocondutividade it intensidade I e proporcional a IY, como mostra a Equa~ao (4-19), a

expressao fmal para a fotocondutividade e:

(3,24)

nmcd< d bg_l_cn cd _lokhstcd c_ fq_cd cd ensnonqs_cnqdr-

< oqdrdm8_c_ hmsdqedqdmbh_m_ chqd8_n^ e_y bnl ptd _ ensnbnmctshuhc_cd

ldchc_ mdrs_ chqd8_n rdi_ m_ udqc_cd tqm u_knqldchn- < dwoqdrr_n o_q_ / b_kbtkn

cdrsd u_knqldchn d9

0:-PIH P 0 ET /

s..i a"~r)g,

Sdmcn cdrbqhsn B oqnbdrrn cd enql_8_n c_ fq_cd cd ensnonqs_cnqdr+ u_lnr

cdrbqdudq _fnq_ / oqnbdchldmsn dloqdf_cn o_q_ ldchq / bnloqhldmsn cd chetr_n odk_

sdbmhb_ccbO0 Bnln uhlnr+ nr cnhr edhwdrptd hktlhm_l _ rtodqehbhdcn rdlhbnmctsnq

hmsdqedqdld enql_l tqm_fq_cd- Rd tqm_ok_b_cd qds_qc_8_n(onq dwdlokn tqm_ 02lhm_

Fv7, d bnknb_c_ dl eqdmsd_n edhwdl_hr hmsdmrnRt- _ hmsdqedqdmbh_hq_nbnqqdqpt_mcn _

k_lhm_ <k1 drshudqm_ onrh8_n mdtsq_- Pt_mcn _ 02lhm_ d bnknb_c_ m_ onrh8_n _shu_+

hrsnd+pt_mcn qnc_lnr B ok_mncd onk_qhy_8_ncd tqmcnr edhwdrcd y67- drsdr m_n l_hr

hmsdqedqdl+d _fnq_ rt_r hmsdmrhc_cdrrnl_l,rd cd l_mdhq_ khmd_qd tmhenqld-

Rdi_ dms_n f00V_ chedqdm8_cd onsdmbh_kkhc_mn vzlu.sy mn b_rn dl ptd m_n

nbnqq_ _ hmsdqedqdmbh_dmsqdnr cnhr edhwdr-Rdi_ s_ladl fs _ chedqdm8_cd onsdmbh_k

khc_mn vzlu.sy mn b_rn dl ptd nbnqq_ drs_ hmsdqedqdmbh_-Bnln _odm_r / edhwdC1d

"bgnood_cn"+ / rhm_kf06 rdms oqnoqnbhnm_k_odm_r _ ensnbnmctshuhc_cdfdq_c_ odkn

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(3,27,_)

(3,27,a)

]-AEP96

fs

nmcd fPIH d _ ensnbnmctshuhc_cdm_oqdrdmz_c_ fq_cd cd onqs_cnqdr+nt rdi_+pt_mcn

5Khmsdqedqdbnl 01+ fPI: d fPIK r_mqdrodbshu_ldmsd_r ensnbnmctshuhc_cdrcduhcn _r

bnmsqhathzndrtmhenqldr cd 5Kd Z (rdl hmsdqedqdmbh_)d _ ensnbnmctshuhc_cdcduhcn

_odm_r_n edwdRKd D e_bhkudqc_hptd / vzlu.sy Hd_ chedqdmz_c_ ensnbnmctshuhc_cdcd

pt_mcn B edhwddK drs_hmbhchmcn+d cd pt_mcn m_ndrs_hmbhchmcnm__lnrsq_+ s_msno_q_

n b_rn dl ptd nr cnhr edhwdrdrs_nhmbndqdmsdrnt drs_nbndqdmsdr-

Tr_mcn _ kdhcd onsdmbh_ptd qdk_bhnm__ ensnbnmctshuhc_cdbnl _ hmsdmrhc_cd

bgdf_lnr _9

f3=(l+OY~/-A2 -I,(1 + O)Y -1

(4-41)

(4-42)

Levando em conta que 0 feixe I] e bem menos intenso do que 0 feixe I]> e

manipulando a Equa~ao (4-41) chegamos ao seguinte resultado:

-, JI,construir urn gnifico de A - x{],! (1-f3) (1T 'j6) J -. Dai, determinamos 0 comprimento de

difusao ambipolar Ld, extrapolando a reta deste grafico, fazendo12

{2/(J-f3)(J -+- 'j6)J ~ 0;

com 0 coeficiente angular desta mesma reta, com 0 valor de Ld (determinado como

exposto acima) e com 0 valor de 'j (determinado como indicado na Se~ao 4.2.4),

determinamos 0 fator de qualidade da grade 'jo.

o sistema experimental esta descrito esquematicamente na Figura 4.4 ..A fonte

de luz coerente utilizada e urn laser HeNe Modelo HN-40-P (1...=0,6328 run),

polarizado, com 5 mW de potencia. Como divisor de feixe (DF) usamos urn filtro de

interferencia adequado para 1...=0,6328run, posicionado a 45° com rela~ao ao feixe IJ•

M, 1

amostra\. amplificador\ lit k . II--I IOC -In

" .II . "I" \Ii! "chopper" Ii , t.. iitt"FN .-:::r .. ~ \.)11 ffil n- -'-' _. ~\~"" I trilho

111 /,ll,'.D.F ••. ~~v

M,

I HeNe laser

Os feixes percorrem duas trajetorias diferentes de mesmo percurso para depois

incidirem sobre a amostra, sob urn determinado angulo b, e eventualmente interferirem

produzindo urn padrao de franjas perpendicular ao plano de incidencia dos feixes,

como mostra a Figura 4.4.. Na Figura 4.5. vemos tambem esquematicamente em

detalhes os contatos de aluminio, 0 circuito eletrico e 0 ponto de incidencia do laser.

Na trajet6ria do feixe husamos urn filtro neutro (FN) adequadamente escolhido

para fomecer a rela~ao 20<//h<50; a seguir temos urn chopper mecanico, do tipo pa

rotativa, cuja frequencia usada gira em tome de 100 Hz; finalmente usamos urn

espelho de aluminio movel M2 que direciona 0 feixe sobre a amostra de a-Si:H,

exatamente entre os contatos metalicos onde e aplicado urn pequeno campo eIetrico.

incidenciloser

\ /contatasolumfnio

kONrE -~l-_. ------- -

Figura 4.5. Vista Esquematica da Alimen~o Eletrica (Fonte DC) e Leitura via Lock-in para a

Medida do Comprimento de Difus40 Ambipolar. No Desenho vemos com Enfase 0 Ponto de Incidencia dos dois

lei 0 feixe 1j, depois de passar pelo DF, incide diretamento sobre outro espelho

movel M1, que direciona 0 feixe sobre a amostra no mesmo ponto que 0 feixe 12,para

que possarn eventualmente interferirem. 0 feixe 11passa tambem por urn conjunto de

dois rombos de Fresnel, cuja fun~ao e rodar a polariza~ao do feixe 11 de 90° em

rela~ao ao feixe 12,0 rombo de Fresnel e usado na sua posi~ao ativa quando deseja-se

destruir a interferencia entre os dois feixes.

Os dois espelhos de aluminio sao montados nurn suporte rotativo movel, e cada

qual pode deslocar 10ngitudinaJrnentenurn trilho rigido metcilicode 60 em, dotado de

gradua~ao de 1 em 1 centimetro. Urn trilho e posicionado 90° com rela~ao ao outro. 0

deslocamento dos espelhos e simetrico com rela~ao ao DF de tal forma a alterar 0

angulo ~ de incidencia dos feixes de laser (ver Figura 4.4.); 0 ingulo ~ pode ser assim

facilmente calculado usando re1a~oes geometricas. Para cada angulo 6 temos urn

periodo A correspondente a rede de fotoportadores.

Os angulos IJtipicos usados sao da ordem de 6,50 a 78,00, produzindo periodos

da rede A de 5,5 a 0,5 J.UIl. Esta faixa de angulos permite determinar comprimentos de

difusao na ordem de algumas centenas de angstrom ate a ordem de alguns

micrometros, adequadas portanto para amostras de a-Si:H e suas ligas fotocondutivas.

No escuro, os semicondutores amorfos tipicos, tais como 0 a-Si:H sao

c1aramente semicondutores ditos de re1axayao, ja que para estes materiais 0 tempo de

relaxayao dieletrico, defmido como:

e bastante longo por causa do baixo valor de sua condutividade. Quando 0 material e

iluminado, contudo, a condutividade pode crescer de varias ordens de grandeza e este

tempo 7:d ira entao crescer. Assim, nao e claro, a priori, se 0 regime de tempo de vida

(onde a neutralidade de carga se mantem) ou 0 regime de tempo de relaxa9ao aplica-se

ao transporte ambipolar do excesso de portadores sob ilumina9ao.

Para determinar qual regime de transporte aplica-se ao a-Si:H toma-se

necessario resolver a Equa9ao (4-20) sem levar em conta a neutralidade da carga, dada

pela Equa9ao (4-21). Resolvendo este problema para 0 caso unidimensional,

considerando a taxa de gera9ao de portadores como sendo dada pela Equa9ao (4-30), a

solu9ao geral para &/(x) e &(x) e apenas obtida nurnericamente em fun9ao da razao

entre 0 tempo de recombina9ao e 0 tempo de relaxa9ao dieletrica, 7: 7:d. Este parametro

mede a transi9ao entre 0 regime de tempo de vida e 0 regime de relaxa9ao. Simula90es

feitas considerando que 0 campo eletrico aplicado seja nuIo, indicam que quando a

rela9ao 7:' 7:d e pequena, a neutralidade de carga local nao e mais mantida e eletrons e

buracos difundem; neste regime &/(x) diminui devido a rapida difusao dos eletrons, e

a diminui9ao na taxa de recombina9ao conduz a urn aurnento de L1P(x); por outro lado,

Ept_mcn @LSE _clhsd u_knqdrc_ nqcdl cd 0/ +R_)^, d V6b)^, snl_l,rd lthsn oq5whlnr+

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dkdsqnmrd atq_bnr sdqm_r ldrl_r bnmrs_msdrcd chetr_n d _ mdtsq_khc_cdcd b_qf_ d

rdloqd l_mshc_9nr qdrtks_cnr r_n s_ladl oq5whlnr pt_mcn +.(md rtehbhdmsdldmsd

fq_mcdo_q_f_q_mshq_ rdo_q_8_ncd b_qf_r+ldrln pt_mcn GdgNd Gdg~r_n chedqdmsdr-

614181QbprgqValp EtmboeibjqVep

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oqdrr_n cd cdonrh8_n drs_n lnrsq_c_r m_Ehftq_ 3-5-- O_q__la_r _r ldchc_r drs_n

lnrsq_c_r _ cdodmcdmbh_bnl B ektwn-

< Ehftq_ 3-6+onq ntsqn k_cn+lnrsq_ _ cdodmcdmbh_c_ bnmctshuhc_cdd c_

ensnbnmctshuhc_cdbnl _ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn+s_ladl o_q_ektwn_ksnd a_hwn-

M_Ehftq_ 3-7- udlnr B bnlonqs_ldmsn c_ dmdqfh_cd _shu_8_nc_ bnmctshuhc_cd

Li dl etm8_nc_ oqdrr_n cd cdonrh8_n+d m_Ehftq_ 3-8- drs_ ldrl_ oqnoqhdc_cddl

etm8_nc_ sdlodq_stq_ cn rtarsq_sn- Dl _lanr nr b_rnr+drs_ lnrsq_c_ _ cdodmcdmbh_

bnl B ektwn-/ ehkld cdonrhs_cnodk_sdbmhb_cd cdrb_qf_ ktlhmdrbdmsd_ QE lnrsqnt

tl_ dmdqfh_cd _shu_8_ncd N+60~N+/4 dU+ldchc_ mn ldrln rhrsdl_ tr_cn o_q_

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Substrato: a) para Fluxo de SiH4 de 10 ml/min: b) para Fluxo de SiH4 de 100 ml/min. Em ambos os casos a

densidade de potencia usada foi de 0.01 W/cm2• e a pressao de deposi~ao usada foi de 0.5 torr.

Por fun, na Figura 4.10. temos 0 comportamento do fator y (0 qual relaciona a

fotocondutividade com a intensidade da luz) em fun~ao da pressao de deposi~ao, e na

Figura 4.11. esta mesma propriedade em fun~ao da temperatura do substrato. Em

ambos os casos, esta mostrada a dependencia com 0 fluxo. Para a amostra depositada

por descarga luminescente a RF obtivemos urn valor de 0,67±O.01.

Como pode ser visto pela Figura 4.6. e pela Figura 4.7., a maJOr foto-

sensibilidade FS e obtida apenas para pressao de 0,5 torr e temperatura do substrato

entre 150-170 0c. Estas figuras mostram tambem que 0 fluxo baixo resulta em maior

foto-sensibilidade do que 0 fluxo alto. Nestas condi~oes 0 valor de FS e de 7,5xl04±

40°,10;este valor e cerca de 20% menor do que para filmes depositados por descarga

lurninescente usando RF. Esta pequena diferen~a pode simplesmente refletir urn gap

optico levemente maior e urna absor~ao menor nos filmes depositados usando-se 60

Hz. A Figura 4.7. mostra ainda uma queda acentuda na qualidade dos filmes quando

depositados a temperaturas acima e abaixo da faixa de deposi~ao otima (150-170 °C).

Como exemplo, observamos que filmes depositados a 230°C tern a foto-sensibilidade

reduzida para menos do que 104,e a energia de ativa~ao para 0,3 eV.

Os resultados apresentados na Figura 4.8. e Figura 4.9. mostram que os

melhores filmes depositados usando-se 60 Hz tern uma condutividade no escuro a

temperatura ambiente de aproximadamente 10-9 (Qcm)-l e urn valor para a energia de

ativa~ao Eo em tomo de 0,7 eV. Os resultados das Figura 4.10. e Figura 4.11. indicam

que 0 valor de y para os filmes depositados em condi~oes de deposi~ao otimas e

comparavel aqueles obtidos para filmes depositados a RF. Isto sugere que em ambos

os tipos de filme 0 mesmo tipo de trajetoria de recombina~ao determina as

fotocondutividades em estado estacionario.

Por fun, apresentamos os resultados das medidas do comprimento de difusao

ambipolar. Como descrito na Se~ao 3.11., tais medidas foram feitas apenas em filmes

com caracteristicas especiais. Para filmes obtidos usando 60 Hz e fluxo baixo 0 valor

de Ld foi de 130 nm; para filmes obtidos usando 60 Hz e fluxo alto encontramos 83

nm; por fun, para filmes obtidos usando RF (metodo convencional) encontramos 130

ml- Nardqu_lnr ptd+ dl bnmchzndr5shl_r+ dmbnmsq_lnr u_knqdroq5whlnr o_q_ /

bnloqhldmsn cd chetr_n dmsqdnr ehkldr oqnctyhcnr onq QE d _ GBGy - / e_sn cd ptd

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chetr_n cd tqm rdlhbnmctsnq d tqm o_q_ldsqn lthsn hlonqs_msd mn oqnidsn cd

chronrhshunrdkdsqnmhbnrdmunkudmcns_hrl_sdqh_hr-<rrhl+ _ oqnwhlhc_cd cnr u_knqdr

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ktlhmdrbdmsd _ GB Gy bnmrshsth,rddl tqm l_sdqh_k dkdsqnmhbnchronmhudko_q_ _

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I2C2B_q_bsdqhy_z_n8mqe_V

Onq b_q_bsdqhy_8_nnoshb_+dmsdmcdlnr _pth _odm_r _ cdsdqlhm_8_ncn pi~

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` pi~ cd dmdqfh_d bnl bdqsdy_tl cnr o_q_ldsqnr l_hr hlonqs_msdrmnr

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_kb_mbdm_nd l_hr l_mshc_+d onqs_msn_ hcdh_cd pi~ bnln dmsdmchc_o_q_l_sdqh_hr

bqhrs_khmnrm_n d l_hr u_khc_-Mn dms_msn+odk_ dwhrsdmbh_cd a_mc_r cd dmdqfh_

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drsqtstq_ cd mhudhr-

O_q_nr rdlhbnmctsnqdr _lnqenr+ B b_Hbtkncn pi~ cd dmdqfh_2H ptd dmunkud

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nasdm8_ncdrs_ dmdqfh_+_clhsd,rd ptd9

h) B _qq_min_snlhbn mn rnkhcn_lnqen bnln rdmcn tl_ qdcd odqstqa_c_ cn

bqhrs_kbnqqdronmcdmsd:

hh)tl c_cn unktld U bnmsdl B ldrln metmdqncd _snlnr mndrs_cn _lnqen d

bqhrs_khmn:

q IcRC 0 rZpudONmVZ TdTgdmsZUS ZdX-eamplAc,66ONSm

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s_kptd _r etmzndr cd nmc_m_a_mc_ cd u_kdmbh_cn drs_cn _lnqen rdi_l bnlahm_zndr

khmd_qdrc_r etmzndr cd nmc_c_ a_mc_cd u_kdmbh_cn drs_cn bqhrs_khmn:tqm__elm_z_n

_m_Hnf_d l_mshc_ o_q_/ drs_cn bqhrs_khmn-

Rdftmcn drs_r gho5sdrdr+ d o_qshmcnc_ dwoqdrr_n fdq_k c_ bnlonmdmsd

hl_fhm_qh_c_ bnmrs_msdchdHdsqhb_cd tqm rnkhcn rtidhsn _ tqm b_lon dkdsqnl_fmdshbn

nrbhk_msdcd eqdptdmbh_NI+ nasdl,rd / rdfthmsdqdrtks_cn9

_Li) L, Elzy•Z ^) L . Lp,- (3,34)

nmcd2 P ;5:6 d _ dmdqfh_cn b_lon dkdsqnl_fmdshbn_n pt_k drs_ rtidhsn B rnkhcn+BQ2F

d / bndehbhdmsdcd _arnek:_ncn rnkhcn+d _ bnmrs_msdltkshokhb_shu__odm_rfc_ e_snqptd

cduhcn_n b_q_sdq_oqnwhl_shunc_r ghonsdrdrm_n_oqdrdms_rhfmhehb_cnehrhbn-

O_q_/ _,Rh9G+2p _clhsd u_knqdrdmsqd0+4d 1+/ dU+hrsnd+bnqqdronmcdmsdr_o_qsduhrhudkcn drodbsqncd q_ch_z_ndkdsqnl_fmdshb_-Hrsnrhfmhehb_ptd+ _ o_qshqcd

drodbsqnrbnoh_noshb_m_ qdfh_n cd kty uhrhudk+d onrrhudk nasdq u_knqdro_q_ Lpz

Nkg_mcno_q__ Dpt_z_n (3,34)+nardqu_lnr ptd B etkkbnnars_btkn _ rdqsq_mronrsnd _

cdsdqlhm_z_n cn bndehbhdmsdcd _arnqz_n B: 2Fd Dwhrsdl u_m_r oqnonrs_r o_q_ _

nasdmz_n cn drodbsqn cd i_ _ptdk_ ptd o_qdbd,mnr _ l_hr bnlokds_+ d bti_r

_oqnwhl_zndrkdu_l _ fc_ ldmnq dqqnd _ _oqdrdms_c_onq Rv_mdondk75-Mdrsdsq_a_kgn

_ dwoqdrr_ndw_s_o_q__ sq_mrlhs_mbh_cd fc_ ehkld eln _arnqudcnqcd kty cdonrhs_cn

rnaqd fc_ rtarsq_sn sq_mro_qdmsdd l_mhotk_c_ o_q_ fdq_q enqltk_r edbg_c_r o_q_ B

b_kbtkn cn hmchbdcd qdeq_z_n d cn bndehbhdmsdcd _arnqz_nz _kdl chrsn+ fc_

oqnbdchldmsno_q_b_kbtk_q_ drodrrtq_ cnr ehkldr d _oqdrdms_c_-

Sncnr nr qdrtks_cnr c_ drodrrtq_ d cn pi~ cd dmdqfh__oqdrdms_cnrmdrs_Sdrd

enq_l nashcnr rdfthmcn / oqnbdchldmsn rtfdqhcn onq Rv_mdondk-M_n u_lnr _pth

chrbnqqdqrnaqd _r dpt_zndr tr_c_r mdrs_rcdsdqlhm_zndr+i_ ptd sq_s_,rdcd fc_ _qshfn

a_rs_msdbnmgdbhcnd tr_cn bnl eqdptdmbh_onq sncnr nr fqtonr cd odrpthr_ c_ _qd_-

Ciremos apenas que tal procedimento parte do espectro da transmitancia dos filmes na

faixa de 7.. a 3.. nm9esta faixa inc/ui tres regioes caracterisiticas8

i( regiao transparente* entre 7.. a 6.. nm*com a qual e possivel determinar 9

indice de refrayao do substrato9

ii( regiao de absoryao fraca e media*entre 6.. a 4.. nm9esta regiao apresenta

como caracteristica principal 9 surgimento de milximos e minimos devido ao fenomeno

de interferencia9 construindo envolt4rias relativas a estes maximos e minimos* e

possivel a partir da superior :9rBF e da inferior :9i') e com 9 uso das suas respectivas

expressoes analiticas*determinar D:0F e =G0F em toda essa regiao do espectro9

iii( regiao de absoryao forte* entre 4.. e 3.. nm* cujo espectro mostra

c/aramente urn decaimento exponencial9 com os dados levantados a partir da regiao de

absoryao media e fraca* e possive/ determinar . indice de refrayao do filme na regiao

de absoryao forte9 com a posse destas informayoes*mais a espessura dos filmes obtida

a partir do padrao de interferencia* determinamos =G0F tambem para esta regiao do

espectro,

Trn espectro de transmitancia caracterisitico para 9 a+Ri8G*indicando as regioes

delineadas acima e mostrado na Eigura 2,/0 ,,/,.

'"" )"" ."" 0"" 2""PYWZ\TWzX^Y vz eXvt -XW.

Eigura 2,/0, Dspectro de Sransmissao Baracteristico do a+Ri8Gna Qegiao de Kuz Uisivel, . Cesenho

Reguindo 9 procedimento explicitado acima conseguimos obter todo 9 espectro

de = na regiao de interesse~assim*conseguimos construir um griKfico"DI=FB-iuD) e a

partir da Dqua~ao '2+23( determinar 9 valor do eam de energia De,

Ns espectros de transmitancia usados para a determina~ao de De foram obtidos

num Dspectrofotometro Aomen Lodelo ESHQ,

837353Scnpfo_bjn Frlcmegcio_en

Mos usamos a medida do eam optico para ajudar a caracteriza~ao do reator*uma

vez que a conjun~ao desta medida com a da energia de ativa~ao permite estimar 9

valor do Mivel de Eermi para 9 a+Ri8G*como mostra a Dqua~ao '2+2(, Bom isto em

mente*nos medimos 9 eam para amostras depositadas em vanas pressoes de deposi~ao

e temperaturas de substrato*com alto e baixo fluxo de gases, <ssim* na Eigura 2,/1,

observamos 9 comportamento do eam de energia em fun~ao da pressao de deposi~ao*e

na Eigura 2,/2, esta mesma propriedade em fun~ao da temperatura do substrato, Dm

ambos os casos* esta mostrada a dependencia com 9 fluxo, . eam de energia para 9

filme depositado por descarga luminescente a QE medido no mesmo equipamento no

qual nossas amostras foram caracterizados z de /*53«N,.3 eU,

Ns resultados apresentados nas Eigura 2,/1, e Eigura 2,/2, mostram que os

valores do eam de energia situam+se entre /*50 e /*6 eU, Hstoindica que 9 Mivel de

Eermi esta localizado no meio do eam para estes filmes* conforme descrito pela

Dqua~ao '2+2(,

8383Baracteriza~ao Fnompopm_f

Oorcaracteriza~ao estrutural entendemos a obten~ao de propriedades que digam

respeito a estrutura do material, Cuas foram as propriedades escolhidas por nos para

descrever a estrutura do a+Ri8G8

i( a densidade de estados no eam) que e uma medida da estrutura eletronica do

material*e e uma medida direta da quantidade de defeitos presentes no eamy

o 0,5 I,L 1,5 2,0

.JRESS~O (Torr)Figura 4.13. Medida do Gap 6puco de Amostras depositadas a 60 Hz em F~ da Pressio de

Deposi~: a) para Fluxo de SiH4 de 10 mlImin; b) para Fluxo de S~ de 100 mlImin. Em ambos os casos a

dmsidade de pot6ncia usada foi de 0,01 Wlcm2, e a temperatura do substrato usada foi de ISO0c.

(1... 1,7 -~t.!).•.

-- ..B.::l. ixo

~'.~~

l I

50 100 150TEMPERATURA

ii) a quantidade de ligayoes Si-H e Si-H2 presentes no material, que e urna

medida da quantidade de hidrogenio incorporado ao a-Si:H.

Vamos enmo agora descrever as tecnicas por nos usadas para obter valores

destas duas propriedades.

4.4.1. Densidade de Estados no Gap

A distribuiyao da densidade de estados N(E) no gap de energia do a-Si:H e urn

parametro crucial na caracterizayao deste material do ponto de vista tecnologico, urna

vez que ela determina as propriedades opticas e eletricas na regiao de baixa absory8o.

A partir de N(E) e possivel determinar a densidade de estados DOS presentes no gap.

Diferentes metodos tern sido usados para medir a DOSS7.

E bastante eonheeido que a dependeneia espeetral do eoefieiente de absor~ao

optieo arE) esta diretamente relaeionada com a distribui~ao da densidade de estados

N(E) ~assim, a medida de arE) e urna das indieadas para aferir a densidade de estados

no gap, ja que trata-se de urna teeniea optiea de relativa faeilidade de obten~ao em

laboratono. Conheeido 0 espeetro do eoefieiente de absor~ao, a densidade de estados e

obtida a partir da deeonvolu~ao deste espeetro. Valores de a nestes filmes podem ser

detenninados a partir de dados de transmitaneia e refleetaneia . Contudo, a

determina~ao de arE) a partir de dados de transmitaneia no a-Si:H e limitada a valores

de a aeima de 102 em-I, urna vez que para valores abaixo disto 0 espeetro de

transmissao mostra urn padrao de interfereneia, 0 que toma impossivel detenninar arE)

com sufieiente preeisao. Assim, outras teenieas devem ser usadas para obter este

importante parametro na regiao do infra-vermelho, onde a eondi~ao aeima nao esatisfeita. Resultados de espeetroseopia foto-aeustiea (PAS)88 levam a valores de a

aeima de 1 em-I, e usando-se espeetroseopia de deflexao foto-termiea (PDS)89

alcan~a-se valores de ate 10-1 em-I. Teenieas diferentes envolvendo medidas de

fotoeondutividade tern sido aplieadas para estender 0 alcanee de a ate valores abaixo

de 10-1 em-I. Assim, sob determinada sene de eondi~oes e possivel denvar 0 espeetro

do eoefieiente de absor~ao optieo a partir de medidas de fotoeondutividade90. Estas

eondi~oes esmo listadas abaixo:

i) se a ilumina9aOe a gera9ao do par elt~tron-buracoSaDunifonnes ao longo do

material, e a reflectancia for desprezivel, a fotocondutividade 0ph pode ser escrita

(Jph =eFa( 1]J.ld r), (4-46)

onde Fe 0 fluxo de f6tons incidentes por unidade de area, e e a carga do eletron, 17 e a

eficiencia qu3.nticapara 0 processo de gera9ao de fotoportadores, f.1d e a mobilidade de

arraste do fotoportador dominante, ere 0 tempo de vida dos fotoportadores.

ii) na regiao de interesse, isto e, na faixa 1,2 eV E 1,8 eV, 0 produto '7f.id1:

pode ser considerado constante.

Estas hipotese sao bem discutidas por Modde1 et ar}). Em linhas gerais, a

condi~ao de ilumina~ao uniforme e justificada se admitimos que a espessura t do fihne

'7f.id1:, e apresentada urna justificativa individual para cada urn destas grandezas. No

caso da eficiencia quantica '7 as possiveis varia~oes com respeito a energia podem

ocorrer devido aos processos de absor~ao levarem a nao-produ~ao do par e1etron-

buraco proximo do limiar de condu~ao; na regiao de energia de nosso interesse este

efeito e muito pequeno, tomando-se forte para energias bem abaixo de 1,2 eV. No caso

da mobilidade de arraste f.Jd resultados experimentais indicam urna varia~ao muito

tenue com a energia. Por fim, no caso do tempo de vida 1:0 aparente acrescimo com a

energia mostra que na verdade, a varia~ao observada vem da dependencia do tempo de

vida com a densidade de fotoportadores.

A medida da fotocondutividade e feita atraves da medida da fotocorrente,

aplicando-se urna determinada diferen~a de potencial constante Ventre dois eletrodos

paralelos (comprimento I, separa~ao entre contatos d). Nesta situa~ao, a

fotocondutividade e dada pela Equa~ao (4-1). Igualando-se a Equa~ao (4-46) com a

Equa~ao (4-1), e levando em conta a condi~ao ii), temos que, caso a fotocorrente seja

lFS.'lI _ SEFVI<:;::ODE BIBLlOTECA E "oi" I:-"FORV A<:;::AO ,

mantida constante quando a energia luminosa e variada, enmo 0 produto aF e

a( E) .F( E) =constante. (4-47)

Assim, caso conheyamos os valores de ao e de F0. respectivamente 0 coeficiente de

absor~ao e 0 fluxo de f6tons para uma detenninada energia, medindo F(E) necessano

para manter fixa a fotocorrente, determinamos diretamente 0 espectro do coeficiente de

abSOfyaO,ja que:

arE) =_F_o_aoF(E) .

A medida de ao pode ser obtida atraves de dados de transmitancia, e F° pode ser

medido com a ajuda do detetor usado no experimento. Devido a fotocorrente ser

mantida constante ao longo de todo 0 experimento, esta tecnica e conhecida como

Constant Photocurrent Method (CPM). Como pode ser visto, na tecnica CPM 0 que

medimos e 0 niunero de f6tons necessano para manter a fotocorrente constante.

o dispositivo experimental para esta medida esta mostrado na Figura 4.15..

Uma fonte de alimenta~ao estabilizada controla a tensao que alimenta a lampada de

filamento encapsulada com vapor de algurn elemento halogenio. A luz emitida pela

lampada com todas as energias passa inicialmente atraves de urn monocromador para

que apenas urna energia luminosa seja selecionada. A seguir, esta luz passa por urn

chopper para modular a sua intensidade. Urn filtro e usado a seguir para eliminar

hannonicos de ordem superiores gerados pelo monocromador. A seguir a luz passa por

urn divisor de feixe, tal que ela possa seguir por dois caminhos: urn, paralelo it fonte de

luz que incide sobre a amostra, e que e responsavel pela gera~ao da fotocorrente; e

outro, perpendicular it fonte de luz que incide sobre 0 detetor, que e 0 responsavel pela

medida do fluxo de f6tons que incide sobre a amostra. Tanto 0 sinal da fotocorrente,

quanto 0 sinal do detetor S30 medidos cada urn por urn lock-in. Alguns detalhes sobre

cada urn destes componentes S30:

IICHOP PER II

LAIIPADA

i) a fonte de alirnenta~ao deve ter urn ajuste fmo 0 suficiente para que a

fotocorrente medida no lock-in A seja mantida efetivamente constante.

ii) a frequencia do chopper deve ser suficientemente baixa, em tomo de 13 Hz,

para que apenas 0 processo de excita~ao luminosa seja responsilvel pela fotocorrente.

iii) como divisor de feixe pode ser usado urn espelho, apenas garantindo que a

quantidade de f6tons que incide sobre a amostra seja a mesma que incide sobre 0

detetor.

iv) como detetores duas possibilidades podem ser usadas: a) urn detetor de PbS

que cubra toda a regiao espectral de interesse. b) dois detetores, urn de Ge que cobre a

regiao entre 1,2 e 1,6 eV, e outro de Si que cobre a regiao entre 1,6 e 1,8 eV. Por

motivo de facilidade, em nosso arranjo experiemental usamos 0 detetor de PbS.

o processo de medida baseia-se em manter constante a fotocorrente da amostra

iluminada pel a lampada. E conveniente iniciannos a medida no valor mais baixo de

energia; fixada esta energia no monocromador, ajusta-se a corrente na lampada para

que a Ieitura no lock-in A tenha a maxima precisao; e este valor que deve ser

control ado para que pennane~a constante quando variamos a energia da luz. Neste

ponto, anotamos 0 valor da tensao medida pelo lock-in B, que Ie 0 fluxo de f6tons que

incide sobre a amostra. Feito isto, alteramos 0 valor da energia luminosa atraves do

monocromador, e ajustamos a corrente da lampada ate que a leitura no lock-in A seja a

mesma que a anterior; quando isto ocorrer, anotamos 0 valor da leitura no lock-in B.

Este procedimento e repetido ate que todo 0 espectro de energia seja varrido; quando

isto ocorrer, teremos como resuitado fmal 0 espectro do fluxo de f6tons F necessa.no

para manter a fotocorrente na amostra constante; como pode ser facilmente observado,

a medida de F e convertida em Volt, obtida no detetor; isto nao causa problemas, ja

que como pode ser visto pela Equa~ao (4-48) necessitamos apenas do valor relativo do

fluxo de f6tons F em rela~ao a urn certo valor Fo em cuja energia 0 valor do

coeficiente de absor~ao ao seja conhecido. Usando entao a Equa~ao (4-48)

conseguimos construir 0 espectro do coeficiente de absor~ao na regiao entre 1,2 e 1,8

eV. Urn espectro do coeficiente de absor~ao caracteristico na regiao de interesse emostrado na Figura 4.16.. rot

...:~ 1u

10-1

0.6 I 1:4 La 22

Energia (eV)Figura 4.16. Espectro do Coeficiente de Abson;ao Caracterisitico do a-Si:H obtido pela tecnica CPAf

Bnln oncd rdq uhrsn+s_kdrodbsqn_oqdrdms_ct_r qdfhndr b_q_bsdqhrhshb_r9

h)_ oqhldhq_+o_q_ dmdqfh_rl_hr a_hw_r+bnl b_q_bsdqhrshb_rbk_q_rcd r_stq_z_n+

_ pt_k drs! qdk_bhnm_c_bnl _ _arnqz_n cd drs_cnr cd cdedhsnrmnHBPr

hh)_ rdftmc_+ o_q_ dmdqfh_rl_hr _ks_r+bnl tqm bqdrbhldmsn dwonmdmbh_kcd i

dl qdk_z_n_L- bnqqdronmcdmcn_ _arnqz_n cd drs_cnr oqdrdmsdrm_b_tc_ cn HBPd

n bnlonqs_ldmsn dwonmdmbh_kcdrs_ rdftmc_ qdfh_nd c_cn onq9

v7n^~)L, Eizn^~)DS0

nmcd iz d / bndehbhdmsdcd _arnqz_n tr_cn o_q_ _itrs_q _ btqu_+d Lz d _ Dmdqfh_cd

e·kilr0

n metmdqncd cdedhsnroqdrdmsdrmnpi~ oncd rdqdrshl_cn rdo_q_mcn_ _arnqz_n

cd drs_cnr cd cdedhsnc_ _arnqz_n dwonmdmbh_kc_ b_tc_- / dwbdrrnm__arnqz_n noshb_

cduhcn_ _arnqz_ncnr drs_cnr cd cdedhsnrmnpi~ d c_c_ onq9

in^l) L, sB: L, . in^~) L,-

nmcd BQ2F bnqqdronmcd_n drodbsqnbnlokdsn cn bndehbhdmsdcd _arnqz_n-

Cd tl_ qdfq_ cd rnl_+ B metmdqncd cdedhsnr9E drs_ qdk_bhnm_cnbnl _

_arnqz_nonq9

nmcd l W _ udknbhc_cdc_ kty+y W B hmchbdcd qdeq_z_ncn _,Rh9G+ld_ l_rr_ cn

dkdsqnm+d n1d _ b_qf_ dedshu_cn cdedhsn-Nr khlhsdrcd hmsdfq_z_ndrsdmcdl,rd cd B _sd

_ dmdqfh_m_pt_k _ b_q_bsdqhrshb_dwonmdmbh_ksdqlhm_+hrsn d+dl snln cd 0+5dU-

0.

Tr_mcn bnqqdxndrcd b_lon knb_ko_q_ cdsdqlhm_q_ b_qf_ dedshu_LD6d u_knqdr

_oqnwhl_cnro_q_/ hmchbdcd qdeq_x_n+nasdlnr / rdfthmsdqdrtks_cno_q_/ metmdqncd

cdedhsnr9

_m PH6LT 15gi eO0n^l) 2 FE2d (3,41)

Bnln udlnr+ _ sdbmhb_HbW enldbd fc_ dwbdkdmsdldsncn o_q_cdsdmmhm_q/

metmdqncd cdedhsnroqdrdmsdrmn HBPI i_ ptd _sq_udrcdk_nasdlnr BQ2F m_qdfh_ncd

dmdqfh_rhmedqhnqdr_ptdk_ bnqqdronmcdmsd_n pi~ )•[kpi~ ik•z·~Zszy,0 < o_qshqcndrodbsqncn bndehbhdmsdcd _arnqz_n nashcn onq drs_ sdbmhb_cdsdqlhm_lnr iz d Lz0 d

dms_nbgdf_lnr _ tl_ dwoqdrr_nedbg_c_ o_q_ Bn^~( < o_qshqc_h- tr_mcn sdbmhb_r

mtldqhb_r+b_kbtk_lnr tl_ dwoqdrr_no_q_ Bn^I d dms_ncdsdqlhm_lnr _ E tr_mcn _

Dpt_z_n (3,41)-

F:F:D:Oribol ab g[YSl`Wd r[9c W r[9c1

Z a_rs_msdbnmgdbhcnptd B ghcqnfdmhncdrdlodmg_ tl o_odketmc_ldms_km_r

oqnoqhdc_cdrcn Ba=Jo4d <bqdchs_,rd ptd rt_ etmz_n rdi_ _ cd o_rrhu_q_r khf_zndr

hmr_stq_c_r:EBNHLJNH CONERFhmdqdmsdrcnr oqnbdrrnr cd nasdmz_n cn Ba=J otqn+

qdrtks_mcndl _ksdq_zndrm_roqnoqhdc_cdrnoshb_rd dkdsqhb_rcdrsd l_sdqh_k-<rrhl+ B

bnmgdbhldmsncn sdnqcd ghcqnfdmhnhmbnqonq_cn_n ehkld d tl_ hmenql_z_nc_ l_hnq

qdkdu_mbh_o_q_cdsdqlhm_q_r oqnoqhdc_cdrcn Ba=Jo4d

Ul_ c_r hcdmshehb_zndrl_hr chqds_rcn o_odkcn ghcqnfdmhnm_l_sqhy _lnqe_ cd

rhkhbhnudl _sq_udrcd drstcnr c_ _arnqz_n noshb_m_ qdfh_n cn hmeq_,udqldkgn-/

drodbsqncd hmeq_,udqldkgnenldbd hmenql_zndr_ qdrodhsnc_ dmdqfh_d c_ hmsdmrhc_cd

c_r uhaq_zndrdmsqd_snlnr khf_cnr-Shohb_ldmsddrsdr drodbsqnrbnaqdl _ e_hw_cd 1+4

_ 3+/ z+ d lnrsq_l _ l_fmhstcd c_ _arnqz_ncd chonkn-

< eqdptdmbh_cd tqmlncn cd _arnqz_n etmc_ldms_kmnhmeq_,udqldkgncdodmcd

cd _la_r+ _ l_rr_ cn chonknnrbhk_msdd c_ enqz_cn nrbhk_cnqc_ khf_z_ndmsqdnr

_snlnr ptd odqe_ydl / chonkn-Hrsnhlokhb_ptd o_q_chonknr_ eqdptdmbh_cn nrbhk_cnq

nbnqqdq__odm_r rnaqd tl_ e_hw_drsqdhs_d ehw_-<rrhl+ ldchmcn _ eqdptdmbh_

d_q_dsdqhrshd_m_pt_k _ _arnqz_n mn hmeq_,udqldkgnndnqqd+_ hcdmshc_cdc_r drodbhdr

lnkddtk_qdr oncd rdq cdsdqlhm_c_-

n droddsqn cd hmeq_,udqldkgncd ehkldr cd _,Rh9G lnrsq_ oqhmdho_kldmsdnr

lncnr uhaq_dhnm_hrd_q_dsdqhrshdnrc_r u_m_r onrrhahkhc_cdrcd khf_zndr dmsqdrhkhbhnd

ghcqnfdmhnmn rnkhcn+hrsn d+RhG+RhQ1+d RhQ2- Bnln drs_ adl drptdl_shy_cn mn

sq_a_kgncd Aqncrjx nZ i1C: _r _arnqzndr _ 1/// dl,] d _ 52/ dl,] r_n cduhcn _nr

lncnr cd •Z·nZlrsyp d ]ippsyp qdrodbshu_ldmsd-<r a_mc_r dwhrsdmsdrdmsqd7// d 8//

dl,k r_n cduhcn _nr lncnr uhaq_dhnm_hrknymsyp c_ drsqtstq_ RhG1- <kdl chrrn+dwhrsd

tqm_a_mc__ 10// dl,] dnqqdronmcdmsds_ladl _ tqmlncn uhaq_dhnm_kcd knymsyp0

Dmpt_msn nr lncnr uhaq_bhnm_hrcduhcn _ nqcdl cd btqsn _kb_mbdknb_k r_n

duhcdmsdrmn drodbsqn cn _,Rh9G+nr lncnr uhaq_bhnm_hrcduhcn _ l_sqhy _lnqe_ cd Rh+

hrsnd+_ khf_z_n Rh,Rh+s_ladl oncdl nbnqqdq+l_r fdq_kldmsd r_n eq_bnr- Drsdr lncnr

m_n _oqdrdms_l lnldmsnr cd chonkn cd oqhldhq_ nqcdl- d mdkdr_ _arnqz_n cd hmeq_,

udqldkgn nbnqqd_odm_r onq oqnbdrrnr cd rdftmc_ nqcdl-

<kdl chrrn+ o_q_ b_q_bsdqhy_qdrodbhdr nt onq lncnr knb_hr+nt onq lncnr

drsqtstq_hr+ / metmdqncd drodbhdr _arnqudcnq_r oncd s_ladl rdq cdsdqlhm_cn _ o_qshq

cd c_cnr cd hmeq_,udqldkgn-

Qdrtlhmcn+ bnl nr drodbsqnr cd hmeq_,udqldkgn cn _,Rh9G+d onrrhudk bgdf_q _

cnhr shonr cd bnmbktr_n9

h) _ o_qshqcn mhmmdqncd nmc_ bnqqdronmcdmsd_ vm ohbn+hcdmshehb_,rdcd ptd

enql_ _snlnr cd ghcqnfdmhndrs_n khf_cnr _n _snln cd rhkhbhn:

hh)_ o_qshqc_ enql_ cn ohbn+cdsdqlhm_,rd _ bnmbdmsq_z_ncd vm cdsdqlhm_cn

shoncd khf_z_n rhkhbhn,ghcqnfdmh/82-83-84-

Mdrsd sq_a_kgnmnr tr_lnr nr drodbsqnr cd hmeq_,udqldkgn bnln vm_ ldchc_ c_

pt_khc_cd cnr ehkldr cdonrhs_cnr- Z a_rs_msd bnmgdbhcn ptd ehkldr cd pt_khc_cd

dkdsqnmhb__oqdrdms_l _ cnlhm_mbh_ cd drsqtstq_r cn shon RhG85zhrsn rhfmhehb_ptd

mdrsdr ehkldr drodq_,rd vm_ oqdrdmz_ l_qb _msdcn lncn uhaq_bhnm_kcd •Z·nZlrsyp _

1/// bl,d6Onq ntsqn k_cn+ehkldr cd l_ pt_khc_cd dkdsqnmhb_qdudk_l _ oqdrdmz_ cd

drsqtstq_r RhGD6hmchb_mcn_ dwhrsdmbh_cd lncnr uhaq_bhnm_hrcd knymsyp _ 7//+ 8//+ d

2100 em-I. Desta. forma, eom uma simples olhada no espeetro de infra-vermelho do a-

Si:H e possivel ehegar a uma eonclusio sobre a qualidade destes filmes; easo eles

apresentem estruturas na regiao 800-900 em-} eom eerteza suas propriedades eletrieas

serao defieientes. A identifiea~ao do pieo a 2100 em-} e mais difieil, ja que 0 modo de

stretching tern urn de seus modos loealizado a 2000 em-I, bastante proximo daquele

modo bending. Mesmo assim, 0 desloeamento do pieo em dire~ao a qualquer urna das

estruturas e evidente nos espeetros.

Alern desta analise qualitativa, a partir do espeetro de infra-vennelho e possivel

obter tambem a eoneentra~ao de hidrogenio ligado a urn determinado modo~ a

coneentra~ao de hidrogenio nos filmes e obtida integrando 0 modo wagging e

multiplieando por uma constante de proporeionalidade97, tal que:

NH =1,6 x /019 j a( OJ) dOJ,(()

onde a( m) e 0 coefieiente de absor~ao em fun~ao do niunero de onda, e a integral e

feita apenas sobre 0 pico do modo wagging, eentrado a 640 em-I. De maneira an31oga,

e possivel quantifiear 0 niunero de liga~oes SiH e SiH2 que eontribuem para 0 modo

stretching e bending, respeetivamente. Seguindo 0 proeedimento usado por Brodsky et

a/93, 0 niunero de liga~oes SiH, Ns, e SiH2, NB , e dado por:

Ns =A x 1,72 x /020 j_a_(_m_)dms m

NB =A x8,6 x /019 j a( OJ) dm,B m

onde A e uma eonstante que depende apenas da eonstante dieletriea do solido, e os

indices S e B indieam que as integrais devem ser feitas apenas nos pieos de stretching

(2000 em-I) e bending (2100, 900 e 800 em-I) respectivamente. Na verdade, do ponto

de vista de resultado, 0 que interessa-nos e a razio entre Ns e NB. Chamando esta razio

de R, temos:

R=NB.Ns

(4-56)

Para a obten~ao do eoefieiente de absor~ao, medimos 0 espeetro de

transmitaneia no infra-vennelho na faixa entre 4000 e 400 em-I. Estas medidas foram

feitas em filmes de a-Si:H depositadas sobre silieio polieristalino eom apenas a face

sobre a qual ocorreu 0 deposito polida~a outra foi mantida com certa rugosidade. As

medidas foram realizados urn Espectrofotometro Bomen do tipo FTIR. Para converter

os dados de transmitancia para coeficiente de absor~ao nos usamos 0 procedimento

indicado por Freeman e Paul95.

4.4.3. Resultados Experimentais

A Figura 4.17. mostra 0 espectro do coeficiente de absor~ao na regiao do infra-

vermelho proximo (0,8-2,0 eV), obtido pela tecnica CPM, como descrito na Se~ao

4.4.1.. Os tres tipos de amostras foram medidos no mesmo sistema experimental.

Atraves destes dados foi possivel calcular a energia de Urbach Eo e a densidade

de estados presentes no gap, como indicado pela Equa~ao (4-52). Para a amostra

depositada a 60 Hz e fluxo alto E vale 58 meV~para a amostra depositada a 60 Hz e

fluxo baixo, 54,5 meV; por fim para amostra depositada pelo metodo convencional

(RF), 46 meV. Como pode ser facilmente observado por estes dados as rnelhores

amostras obtidas em nosso laboratorio apresentam urna energia de Urbach cerca de 10

meV rnaior do que a amostra obtida de forma convencional. Por outro lado, a amostra

depositada fora dos parametros otimos tern urna energia de Urbach quase 0 dobro em

rela~ao it amostra obtida por RF.

IF S C - SI:':RVI<;::ODE SiaLiOTECA E I1:'"FORv A <;::A 0

"-----,'-"-.-- •• _.................. • .-. J • ..~

'0-'0,8 1,0 1,2 1,4 1,6ENERGIA

1,8('V,

2,0

97

Estes valores refletem-se na densidade de defeitos no gap, onde observamos

que a amostra depositada com parametros 6timos tern a mesma ordem de grandeza que

a amostra obtida de forma convencional, ao passo que a amostra depositada fora da

otimiza~ao apresenta uma densidade de defeitos cerca de duas ordens de grandeza

Os resultados da espectroscopia no infra-vermelho apenas confmnam as

medidas eletricas e 6pticas. A Figura 4.18. mostra as concentra~oes de SiH e SiH2 em

fun~ao da pressao, enquanto que a Figura 4.19. mostra a dependencia desta mesma

propriedade com a temperatura. Em ambos os casos, esta mostrada a dependencia como fluxo. Como pode ser visto, para temperaturas fora da faixa 150-170 °C a

concentra~ao de SiH diminui, enquanto que a concentra~ao de SiH2 aumenta. Isto esta

de acordo com a ideia de que radicais SiH2 SaDresponsaveis pela baixa qualidade

eletriea dos fHmes.

A Figura 4.20. mostra 0 espectro de transmissao no infra-vermelho para os tres

tipos de amostras descritas acima. Olhando atentamente para a Figura 4.20.

observamos que 0 modo wagging (640 em-I) parece ser independente da forma de

obten~ao da amostra98.97, ja que em todos os casos ele mostra-se fixo naquela

frequencia. Urn pico de intensidade pequena na faixa de 840-890 cm-I e observado nas

amostras depositadas em nosso laborat6rio (parametros 6timos ou nao); picos nesta

mesma faixa de frequencia tambem saDobservados por outros autores98.

Estes picos SaDatribuidos a grupos SiH2 isolados, que tern urn modo vibracional

a 875 em-I, ao inves de possiveis grupos (SiH2)n provenientes de algurna

polimeriza'rao, eujos modos bending semelhantes a tesouras96 localizam-se a 845 e

890 em-I. Estes fHmes tambem mostram urn pequeno pico a 980 em-I, que foi

identificado eomo urn complexo oxigenio-hidrogenio, que sugere algum tipo de

eontamina'rao da camara por oxigeni096. Dentro do modo stretching (2000-2100 em-I),

a razao R entre as areas dos picos centrados a 2000 cm-I e 2090 cm-I e normalmente

adotada como urn parametro da microestrutura do material; encontramos R igual a 0,3

para amostra depositada a 60 Hz com fluxo alto, 0,25 para amostra depositada a 60 Hz

e fluxo baixo, e 0,065 para amostra depositada por RF de modo convencional; dai

podemos ver que R e cerca de 4 vezes menor no caso dos filmes depositados por RF do

que naqueles obtidos a 60 Hz~estes nfuneros sao provavelmente devido a presenya de

grupos SiH2 isolados nos filmes obtidos a 60 Hz.

0~ -.J•a -z .",.,

\ ,0 D\ I\ 0 I\ a"

'0"0, 0,5 ',0 1,5 2,0

.' PRESSAO (Torr)

+ NSJH}C N Fluxo Baixo

SIH!

ANS1H}

0 N Fluxo AltoSIH2

-lit•e-

cia Pressao de Deposi~: a) para Fluxo de SiH4 a 10 ml/~ b) para Fluxo de SiH4 a 100 ml/min. Em ambos

os casas, a densidade de porencia usada foi de 0,01 W/cm2, e a temperaratura do substrato foi de 150 °e.

zzzzu

zzp9zu

4ipCc k Cgpsj ;UdqiS MQdF5

l

ip[c FC*PSK :eoi. MQdF5

jW7

776

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'& 453RCLOCP:RSP:

493!,)"

231

YdWO_hk_mWopmW\j NpXnomWoj8W(kWmWCgpsj \_ NdE2 W/. hQhdi9 X( kWmWCgpsj \_ NdE2W/.. hQhdi, Bh

WhXjnjn YWnjn,W\_ind\W\_ \_ kjm_iYdWpnW\Wajd \_ .*./ R-Yh0* _ Wkm_nnWj\_ \_kjnd71. ajd \_ .*3 ojmm,

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• 0 lu't- Q Q Il\ C••• C!) (!) .-• •'t- 0- ••••t-- ~lUa-

0 0:tn Q..

GO 2- 00 (j0

"0 7-C\J

0.....1 &n

t\.I(\J[-o-nJ VI~NV1'''SNVHl-

Figura 4.20. Espectro de Transmissao no Infra-Vermelho Distante: a) para Amostra depositada a 60

Hz com Fluxo de SiH4 a 10 ml/min: b) para Amostra depositada a 60 Hz com Fluxo de SiH4

a 100 ml/min: c)

para Amostra depositada a RF. Nas Amostras depositadas a 60 Hz a densidade de potencia usada foi de 0.01

W/cm2• a temperatura do substrato foi de 170 °e. e a pressao de deposi~ao foi de 0.5 torr.

LUkU\bgUebsUk,UkUsUhYgmkYhl ibWhlkYeUmbohlUhfhXh dDIIMRI )640 Yf-F*Yf

UfVhl hl \befYl XYihlbmUXhlU60 Es YWYkWUXY70u,/0 fUbhk Xh jnY gh WUlhXY\befYl

hVmbXhlihk MD;U ghllU bgmYkikYmUtUhY XYjnY ihXY aUoYknfU _kUgXY\hktU XY

hlWbeUXhkbgWhfnf UhfhXh _aWGaFLMRIghl \befYl hVmbXhlU60 Es; hnmkhlUnmhkYlLI

Uk_nfYgmUfjnY U\hktUXhhlWbeUXhkXbfbgnbWhf 0 UnfYgmhXhmYhkXYabXkh_YgbhYf

\befYl hVmbXhlihk _VbaaGWMRIihk MD kYWhsbXhlUVUbqhXY 200uA. Cf \befYl

XYihlbmUXhlihk XYlWUk_UenfbgYlWYgmYU 60 Es ghl hVlYkoUfhl A WhfihkmUfYgmh

hihlmh. BYoYlYk ghmUXhmUfVYf, U mbmnehXYWhfiUkUtUh,jnY OhWabmUgb4; 25ee

WkYlWYkUf\befYl XYUaUjnUebXUXYnlUgXh VUbqUl\kYjnYgWbUlWncUkUsUhYgmkYhl

fhXhl _aWGaFLMRIY dDIIMRI iUkYWYflYk lbfbeUkYlUjnYeYlhVmbXhliUkU \befYl

XYihlbmUXhlUMD10 1.

1-2- KmbfbsUtbhMRUDITOPNVTRUMNBYihlbtbhKl kYlnemUXhlfhlmkUXhlUhehg_h XYlmUNYtUhiYkfbmYfjnY ihllUfhl WaY_UkU

nfU WhgWenlUhXY\bgbmboUlhVkYUl WhgXbthYlXYXYihlbtUhhmbfUl,gUl jnUbl \befYl XY

U:-Nb:EXYihlbmUXhlihk XYlWUk_UenfbgYlWYgmYU 60 Es mYgaUf ikhikbYXUXYl

YeYmkhgbWUl.< WUkUWmYkbsUtUhXhkYUmhkbgXbWhnjnY YqblmYnfU \UbqUYlmkYbmUXYikYllUh

XYXYihlbtUhYmYfiYkUmnkUXh lnVlmkUmhgUjnUe YihllboYe hVmYk\befYl XYU-Nb:EXY

VhUjnUebXUXY.ClmU\UbqUWhkkYlihgXYUnfU ikYllUhXY0,5 mhkkYnfU mYfiYkUmnkUXY

lnVlmkUmhXY170uA.

<mYU_hkUmYfhl XUXhUmYgtUhUiYgUl Ul ikhikbYXUXYlXh \befY, lYf

ikYhWniUkfh-ghlWhf UobUVbebXUXYYWhghfbWUXhikhWYllhjnY mYfhl YlmnXUXh.Pf

iUkUfYmkhmYWgheh_bWhbfihkmUgmYiUkU U WUkUWmYkbsUtUhXh kYUmhkY U mUqUXY

XYihlbtUh.JYlmUebgaU,ghl YlmnXUfhl0 WhfihkmUfYgmhXYlmUikhikbYXUXYYf \ngtUh

XUikYllUhXYXYihlbtUhYUmYfiYkUmnkUXhlnVlmkUmh.C XYlYcUoYejnY mYgaUfhlUmUqU

XYXYihlbtUhfUbl UemUihllboYe iUkU jnY A \befY ihllU hVmYknfU XYmYkfbgUXU

YliYllnkUgh fYghk mYfih ihllboYe; gUmnkUefYgmY,YXYlYcUoYemUfVYfjnY hl \befYl

mYgaUfikhikbYXUXYlYeYmkbWUlY himbWUljnY bgXbjnYf lYn nlh iUkU Xblihlbmbohl

YeYmkhgbWhl.< XYiYgXYgWbUXUmUqUXYXYihlbtUhWhf U ikYllUh XYXYihlbtUhYlf

mostrada na Figura 4.21., enquanto que sua dependencia com a temperatura do

substrato estil mostrada na Figura 4.22 .. Nas respectivas figuras estil mostrada a

dependencia com 0 fluxo de gases (alto ou baixo). lnicialmente estes resultados

indicam que a taxa de deposi~ao e maior para 0 fluxo maior, como era de se esperar.

Alem disto, nas faixas de pressao e temperatura usadas nas deposi~oes observamos que

a taxa de deposi~ao e maior para temperaturas maiores do que 200 C pressoes maiores

do que 1 torr. Porem, estas temperatura e pressao (principalmente a pressao)

localizam-se nas faixas onde a foto-sensibilidade e muito baixa~ isto significa que,

embora a maxima taxa de deposi~ao ocorra acima de 200 °C e 1 torr. os filmes nao

poderao ser depositados com estes panimetros, ja que isto acarretaria em filmes de

pessima qualidade. Uma outra caracterisitica da taxa de deposi~ao de fUmes

depositados usando 60 Hz e que ela e ligeiramente inferior it taxa de deposi~ao

nominal de filmes depositados usando-se RF.

I·0

I•••

-c:---@~ 5,0

oICU.-CI)oa.~ 4,0

+'I

+',+

I,,I+

+ Fluxo Baixo

o Fluxo Alto

~ 1,0PREssAo (Torr)

1,5 2,0

Deposic;ao: a) para Fluxo de SiH4 a 10 mlImin; b) para Fluxo de SiH4 a 100 mlImin. Em ambos os casos. a

densidade de potencia usada foi de 0.01 W/cm2• e a temperaratura do substrato foi de 150 °e.

:i45,0 .'':••.-.. / ..••.•0,0--.00IC~-CI) ,+, +0Q. ,-+- , ~+ # '-+!4,O • +# '+ .• ,+I!I

+ Fluxo Baixo~ 0 Fluxo Alto>< I:c

• I . .•• 3,0 I .50 100 150 200 2500

TEMPERATURA (-C)

Figura 4.22. Medida da Taxa de Deposic;ao de Amostras depositadas a 60 Hz em Func;ao da

Temperatura do Substrato: a) para Flu:'{ode SiH4 a 10 mJJrnin: b) para Fluxo de SiH4

a 100 mJlrnin. Em ambos

os casos. a densidade de potencia usada foi de 0.01 W/cm2• e a pressao de deposic;aofoi de 0.5 torr.

Desta forma e preciso cornpatibilizar urna taxa de deposi9ao aha (relativa as

dernais) com propriedades 6pticas e eletricas 6timas para os fihnes. Nesta regiao a taxa

de deposi9ao, apesar de nao obter seu valor rncixirno, admite urn valor satisfat6rio. Enesta faixa, entao, que considerarernos que nossos fihnes tern propriedades 6timas.

SECAO 5

QUADRO RESUMO COMPARATIVO DOS RESULTADOSEXPERIMENTAIS

5.1. Introdu~io

Nesta Seyao mostramos urn quadro resurno dos resultados obtidos para os

filmes depositados por descarga luminescente a 60 Hz, comparando-os com filmes

depositados pela tecnica convencional (descarga luminescente a RF). Nesta linha,

apresentamos wna tabela, comparando os resultados obtidos em nosso reator,

considerando fluxo de gases alto e baixo, com medidas similares feitas em amostras

depositadas pela tecnica convencional. No fmal da Se~ao, apresentarnos wna

justificativa das diferen~as entre os dois tipos de processo. descarga luminescente a 60

Hz e usando RF.

5.2. Compara~io entre os Processos 60 Hz e RFPara uma melhor visualiza~ao dos resultados mostrados na Se~ao 4,

construimos a Tabela 5.1., onde ali estao colocados todas as medidas feitas nos tres

tipos de filmes estudados. Na Tabela 5.1. os resultados para filmes depositados a 60

Hz, tanto fluxo alto como fluxo baixo, correspondem a filmes obtidos em condi~oes de

deposi~ao 6timas.

Na Tabela 5.1. podemos comparar os resultados da foto-sensibilidade, da

fotocondutividade, da condutividade no escuro, da energia de ativa~ao, e do fator y

para os tres tipos de filme. Estes resultados mostram que a estas propriedades sao

comparaveis entre os filmes produzidos por RF e a 60 Hz em condi~oes 6timas. A

Tabela 5.1. apresenta ainda resultados da Energia de Urbach, da densidade de

defeitos, do fator de microestrutura R, e da porcentagem de hidrogenio incorporada aos

filmes. Olhando com aten~ao para estes resultados, observamos que a Energia de

Urbach e cerca de 25% maior nos ftlmes depositados a 60 Hz, 0 que e traduzido na

if ('I' SE;:';:VC;:OD?_ B!BUOTECA EiJ l,'-- \'-"!.; (:~ Rv IV,:: /i,O_ ..:_.~.•.~_._...•..,.__ •......-.....••- ..__.-•..._~-_ ..•.,.~.

densidade de defeitos superior em filmes depositados por este processo. 0 fator de

microestrutura R tambem apresenta 0 mesmo comportamento, indicando a existencia

de mais atomos de hidrogenio ligados segundo a forma SiH2 nos filmes depositados a

60 Hz se comparado aos depositados a RF. Por fun, a Tabela 5.1. mostra valores do

gap 6ptico e do comprimento de difusao ambipolar. Tanto uma propriedade quanta

outra apresentam resultados comparaveis entre os dois processos, 0 que indica.

principalmente no caso do comprimento de difusao ambipolar, uma caracterisitica de

material eletronico para filmes depositados a 60 Hz.

Propriedades Unidade 60 Hz alto 60 Hz baixo RF

fluxo fluxo

Ts C 170 170 240

ad (Oem)-l o 7x 10-9 1 3x 10-9 Ix 10-9, ,

anh (Oem)-l 2x 10-5 1x 10-5 Ix 10-5

FS - 3x 104 7,5xl04 lx104

En eV 0,7 0,65 0,71

y - 0,66 0,85 0,67

Eo meV 58 54,5 46

Nd em-3 2xl016 3x1016 Ix 1016

R - 0,3 0,25 0,065

%H 0/0 em atomos 16 12 8

El!: eV 1,73 1,80 1,75

Lei nm 83 130 130

Apesar do born eomportamento de filmes depositados por desearga

lwnineseente usando 60 Hz quando eomparados com os obtidos usando RF, existem

Xb\YkYgtUlYgmkYhl Xhbl mbihl XY\befYl. Jhl YliYWneUfhljnY mUblXb\YkYgtUllUh

WUnlUXUlihk nkg. VhfVUkXYUfYgmhiYkbhXbWhXY bhgl XY VUbqUYgYk_bUlhVkYU

lniYk\bWbYXhl \befYl jnUgXhU\kYjnYgWbUXhWUfih YeYmkbWhYXY60 Es. Kl bhgl lUh

ikUmbWUfYgmYbfhoYbl Yf XYlWUk_UlU \kYjnYgWbUlUWbfUXY 1 IEs, fUl A

VhfVUkXYUfYgmhihXY hWhkkYkU VUbqUl\kYjnYgWbUl.Cf ghllh kYUmhkghl YlmUfhl

nlUgXhU _YhfYmkbUXYmkbhXh,lbfbeUkUjnYeUnlUXUghl lblmYfUlXYXYihlbtUhihk

XYlWUk_UenfbgYlWYgmYU WhkkYgmYWhgmbgnU,ikhcYmUXUYqUmUfYgmYiUkUikYoYgbkA

VhfVUkXYUfYgmhXYbhgl lhVkYUUfhlmkU;WhgmnXh,Yf \befYl XYihlbmUXhlU60 Es U

ohemU_YffnXU XYlbgUeXnUloYsYlihk WbWFh,YYikhqbfU XYsYkhiUkUnkg.UihktUh

WhglbXYgboYeXh WbWFh;U 10 Q, ihk YqYfieh, nkg.bhg E+ Y UWYeYkUXhUh ehg_h XU

XblmUgWbUmbibWUYgmkYUl _kUXYlXnkUgmYnkg mYfih XUhkXYf XY1 tl, Y YlmYmYfih

XYWkYlWYWhf UmYglUhgU\hkfU o0:-JFAhglYjnYgmYfYgmY,iUkUnkgUmYglUhUiebWUXUXY

450 Q Yf ghllhl \befYl XYihlbmUXhlU60 Es, Ue_nglbhgl XYVUbqUYgYk_bUUeWUgtUkUh

h lnVlmkUmhjnUgXhUmYglUh\hk VUbqU,WUnlUgXhXYihlbtUhYXYWUiU_YfiYkbhXbWhlgU

lniYk\bWbYXhU-Nb:EYf WkYlWbfYgmh,lbfbeUkUjnYeYXYlWkbmhihk Olnh GaD)0( BUXhjnY

h,VhfVUkXYUfYgmhiYehl bhgl \hfYWYYgYk_bUiUkU0 mkUglihkmYXYfUllU Yqb_bXUiUkU

ikYoYgbkU\hkfUtUh XYXY\YbmhlXYWhhkXYgUtUhYXYfbWkhYlmknmnkU,blmhihXYYqiebWUk

UVUbqUmYfiYkUmnkUXh lnVlmkUmh)fYghk Xh jnY gU XYihlbtUhUMD*jnY hmbfbsUhl

\befYl XYU-Nb:EXYihlbmUXhlihk XYlWUk_UenkgbgYlWYgmYU60 Es.

TFDBQ :

DQPDNVTQFT F TVHFTUQFT RBSB GVUVSQT USBCBNIQT

< caracteriza~ao do reator e a medida das propriedades do silicio amorfo

hidrogenado 'a+Ri8G( obtidas com 9 reator usando descarga luminescente a baixas

frequencias '4. Gz( encerra urna etapa das pesquisas que desejamos fazer*relativas TV

produ~ao de filmes fmos, <lcan~ando 9 sucesso na obten~ao de filmes finos de a+Ri8G

de qualidade eletronica com esta tecnica altemativa de deposi~ao como demonstrado

acima* urn leque amplo abre+se para a realiza~ao de pesquisas com este material,

Lostraremos nesta Re~ao quais as possibilidades de pesquisa que parecem+nos mais

atrativas para serem desenvolvidas pelo nosso laborat4rio 'ou outros( com este

material,

Sendo conseguido produzir filmes de a+Ri8Gintrinseco de qualidade eletronica*

o passo seguinte deve ser a obten~ao de materiais dopados com fosf4ro ou boro*

mediante a adi~ao de fosfina ou diborana* respectivamente* TVsilana* na camara de

deposi~ao, <s linhas de gases ja estao montadas* e os gases instalados*como pode ser

visto na Re~ao 1 deste trabalho, Oorem*dado que a fosfma e a diborana sao gases

muitissimos mais perigosos do que a silana*9 seu manuseio deve ser feito com aten~ao

redobrada, Oelos testes realizados nas tubula~oes e conexoes, parece que nao existem

vazamentos em toda a linha de gases* porem muito cuidado com estes gases deve ser

tornado quando da sua exaustao para a atmosfera~joga+Hosdiretamente na atmosfera*

mesmo diluindo+os com urn gas nao reativo 'nitrogenio* por exemplo( nao e urna

atitude prudente, Oararesolver este problema*ja projetamos urn sistema para decompor

estes gases* de sorte que para a atmosfera seriam jogados apenas residuos da sua

queima, Dste sistema funciona como urn queimador dos gases* e e composto

essencialmente de urna tubula~ao em forma de serpentina passando atraves de urn

sistema de aquecimento* capaz de elevar a sua temperatura acima de 2..©B* onde

estaria garantida a queima da fosfina e da diborana, <lem disto* em reatores usando

tais gases e imperativo ter urn melhor controle sobre 9 fluxo dos gases9 para isto* 9

ideal e a introdu~ao em nosso reator de sistemas conhecidos como controladores de

fluxo de massa para . controle do fluxo dos gases* que devido ao seu custo elevado

ainda dependem de fmanciamento para serem comprados, Bom a presen~a de ambos*9

queimador e 9 controlador de fluxos*9 uso de fosfma e diborana podeni ser feita*e urn

trabalho importante sera caracterizar 9 reator para determinar quais os parametros

4tirnos para a obten~ao de filmes dopados com qualidade eletronica,

Qesultados preliminares ja foram obtidos para a produ~ao de ligas de carbeto de

siliico amorfo hidrogenado :=a8Aso3F com nosso reator, < etapa atual desta pesquisa

esta no estudo da propor~ao entre os gases envolvidos 'silana e metano(* bem como

nos parametros do reator*para obter ligas de boas propriedades,

Cada a nossa inser~ao dentro do Frupo de 4ptica do Cepartamento de Eisica e

Biencia dos Lateriais do Hnstitutode Eisica de Rao Barlos, nosso maior interesse no

estudo do a+Ri8Ge suas ligas e investigar suas propriedades 4pticas, <ssim* estamos

direcionando nossa linha de pesquisa no estudo de propriedades 4pticas destes

materiais, Tma area pouco investigada tern sido a de propriedades 4pticas nao+lineares

de materiais amorfos, Mosso intuito sera*entao*9 de investigar a intera~ao de campos

eletromagneticos bastante intensos com estruturas amorfas semicondutoras, Oor ora os

resultados preliminares realizados nao permitiram observa~oes conclusivas*ja que com

o aparato experimental disponivel em nossas maos nao foi possivel separar efeitos

termicos e 4pticos, Oor outro lado* urn dos componentes do nosso Frupo tern a

previsao de construir urn sistema laser em anel para que seja possivel separar 9 efeito

4ptico* e assim conseguir realizar medidas do indice de refra~ao nao+linear para as

nossas amostras,

Trn outro assunto interessante dentro da intera~ao de ondas eletromagneticas

com semicondutores amorfos e 9 da recristaliza~ao induzida por luz, Luito ja foi feito

neste sentido com a+Ri8Gobtido de forma tradicional, Mossa tentativa agora sera a de

observar se ocorrem diferen~as quando tratamos com a+Ri8Gobtido por descarga

luminescente a 4. Gz*ja que* embora a estrutura de ambos os materiais sejam muito

proximas, elas nao sao as mesmas. Dentro deste quadro, duas possibilidades nao

excludentes apresentam-se:

i) observar 0 efeito de urn laser continuo (cw laser), do tipo do laser de

Argonio~

ii) observar 0 efeito de urn laser pulsado, do tipo de urn laser de Nd:YAG.

Resultados preliminares feitos com este ultimo tipo de laser indicam uma ligeira

altera~ao no comportamento microscopico da recristaliza~ao em filmes obtidos a 60

Hz quando comparados com filmes a RF~ porem estes resultados preclsam ser

confirmados com urn estudo mais sistematico deste comportamento.

Por fim, e nosso desejo tambem investigar 0 efeito da radia9ao eletromagnetica

de alta energia (Raios-X) sobre fHmes de a-Si:H e suas ligas. Nosso objetivo e

procurar por algurn comportamento semelhante ao Efeito Staebler-Wronski nestes

materiais. Observa90es preliminares indicam que ao menos a fotocondutividade destes

filmes sofre urn decrescimo quando eles sao expostos aquele tipo de radia9ao.

Para fmalizar este trabalho, acreditamos que 0 a-Si:H ja seja urn material cujas

propriedades sejam bastante conhecidas, 0 que permite que ele apresente ja nos dias de

hoje urn grande nu.merode aplica90es tecnologicas importantes. Material de custo de

obten9ao relativamente barato quando comparado com 0 seu similar cristalino, 0 a-

Si:H tern tido 0 seu uso disseminado quando grandes areas sao necessilrias. como e 0

caso de ceIulas solares. Vma limita9ao no seu uso e a degrada9ao que ocorre quando

ele e iluminado, 0 chamado Efeito Staebler-Wronski. Procurar por processos de

obten9ao deste material que minimizem este tipo de efeito foi 0 que motivou-nos ao

longo deste trabalho. Acreditamos que parte dos nossos objetivos foram conquistados:

se por urn lado a tecnica de obten9ao de filmes de a-Si:H empregada por nos revelou-

se urna altemativa interessante (filmes de qualidade inferiores aqueles obtidos de

forma convencional, porem ainda assim com propriedades eletronicas que permitam

usa-Ios em dispositivos), por outro este trabalbo permitiu a forma9ao de urn laboratorio

de caracteriza9ao de semicondutores amorfos, onde propriedades eletricas e opticas

possam ser medidas e conclusoes serem tiradas. Acreditamos que ai reside 0 valor

deste trabalho.

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APENDICE 1

o trabalho apresentado nesta lese de Doutorado resultou em uma publica9ao

em revista intemacional com arbitro (Applied Physics Letters) e uma outra em revista

nacional tambem com cirbitro (Revista Brasileira de Fisica Aplicada e

Instmmentac;t1o). Alem disto, 0 referido trabalho permitiu a nossa participa9ao em

Congressos nacionais e intemacionais. Neste Apendice apresentamos urn resumo

destas atividades.

IFse -' SERVI<;::ODE BIBLIOTECA EINFC'RVA<;::.2i.O

Hydrogenated amorphous silicon films by 60 Hz glow-discharge depositionJ. F. Fraoalli, L. Misoguti, A. N. Nakagaito, V. Grivickas,al and V, S. Bagnato7nstltuto Cfe Fisica e Quimica de Sao Carlos-USP, Caixa Postal 369, /3S6Q.970 sao Carlos SP. Brazil

H. M. BranzNational Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado 80401

(Received 28 September 1992; accepted for publication 11 March 1993)

We deposit hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) in a low-frequency (60 Hz)glow-discharge deposition system. The films show electronic and optical properties nearlyequivalent to those of films produced by the conventional radio-frequency (13.56-MHz)glow-discharge technique. The optimal substrate temperature for the low-frequencyglow-discharge technique is 150-170 ·C, about 100·C lower than at radio frequency. We reportmeasurements of film properties including dark conductivity, photoconductivity, ambipolardiffusion length, infrared absorption, optical band gap, and deep defect density.

Hydrogenated amorphous silicon (a-SHI) used incommercial electronic, xerographic, and photovoltaic de-vices is normally deposited from a 13.56-MHz radio-frequency glow discharge (rf-GO) in silane gas. However,numerous alternative deposition techniques have been ex-plored in the hope of reducing the deep defect density,improving the stability, increasing the deposition rate, orlowering the deposition temperature of the films. I Theplasma excitation frequency, for example, has been variedfrom 10 kHz to 300 MHz2

-s and dc excitation of the glow

discharge is also used.6 Most recently, Tochitani et al.7 re-ported a Si:H growth in a 50-Hz diode reactor. They founddark conductivity, photoconductivity, and infrared absorp-tion spectra characteristic of device-quality rf-GO. Theydoped the material and deposited prototype p-i-n solarcells. In this communication, we describe the properties ofhigh-quality a-Si:H deposited by triode low-frequency glowdischarge Of-GO) from silane at 60 Hz. We have previ-ously given a preliminary account of our results. H Here, weemphasize the dependence of film quality on depositionparameters and characterize the films by a wide variety ofoptoelectronic techniques.

To assess film quality, we measure dark conductivity(Ud), photoconductivity (Ul'h)' transient photoconductiv-ity, ambipolar diffusion length (Ld), infrared (lR) absorp-tion, Urbach energy (Eo), optical band gap (Eg), deepdefect density (Nd), and other properties. We find that ourbest If-GO films have optoelectronic properties nearly asgood as device-quality rf-GO a-Si:H films. Our optimalIf-GO a-Si:H is deposited at a substrate temperature Tj of150-170 ·C. This is -40·C lower than the temperaturefound by Tochitani et al. and about 100·C lower than nor-mally used in rf-GO and dc-GO deposition. Such low dep-osition temperatures may be an advantage when depositingdevice layers on heat-sensitive materials. The low deposi-tion frequency is also an· advantage. Because 50-60 Hzpower is universally available at low cost, our technique

does not require the power conversion equipment used dur-ing rf-GD deposition.

We prepare a-Si:H films using the deposition systemshown schematically in the inset of Fig. I (a). The systemconsists of a stainless-steel chamber diffusion pumped to abase pressure of 10-6_10-7 Torr before each depositionrun. Unlike Tochitani et al.•7 we use a triode configuration.The two plasma electrodes are stainless-steel screens 15 cmin diameter and about 2 cm apart. Each has an array of5·mm-diam holes separated by about 1 mm. To these elec-trodes, we apply the 6O-Hz voltage that excites the plasma.We use a transformer to set the voltage slightly above thethreshold for extinguishing the plasma. Typically, the ap-plied voltage is 450 V and the plasma current is 4 mA. Thesubstrate and both plasma electrodes are normally at deground. For some runs, we applied a positive dc-bias volt-age to the lower electrode. Before deposition, the chamberand substrates are cleaned by a plasma of Ar gas. Duringdeposition. electronic-grade SiH4 and H2 gases are intro-duced in the chamber. We experimented with both low(about 10 sccm) and high (about 100 sccm) gas flow rates.Our typical deposition rate is about 40 A/min. We nor-mally measure the substrate temperature with a thermo-couple attached to the heater block. Calibration experi-ments show that during the deposition, the actual substratetemperature slowly rises to about 20·C higher than thisthermocouple. However, in keeping with convention in thefield, we report Tj as measured by the thermocouple at-tached to the heater block.

Films are simultaneously deposited on Coming glass,fused quartz, and crystalline Si to permit various charac-terizations. Our best films show good adhesion to all sub-strates and we grow films up to 1.5 pm. The thicknessvariation is abollt 5% across a 3-cm-long substrate. Toinvestigate the relation between film properties and depo-sition conditions, we vary the partial pressure of SiH., H2dilution of the SiH., gas-flow rate, dc-bias voltage and Tj•

We grow our best films without H2 dilution or de bias andreport these results below.

10-30)

FLOW HElTERa + LOW

10-4 ..!.~HIGHI

"-1 10-5 t· ''\E f \0

I. \c:10-6 1 •

\I \>- \~ 1 \>

10-7I \

f- I \ tTphU::l / \a / \z \0 10-8 "u ""- "-• "-. "-

10-9 :..t--t-----~d.....•,-.. ------

10-10 DEPOSITION TEMPERATURE 1150 C I

0.1 0.5 1.0 1.5 2.0PRESSURE (Torr I

10-3 b)FLOW

~LOW

10-4 ~..!. HIGH

~ -JJ- -t- - -8- /~ 0 0

I 10-5 /'

/ 8, E ii' u~. c:

10-6;: >-•...t >

10-1•...~: u:Ja (z

10-6 •0 +u

10-9

CTd

10-10

50 100 150 200 250TEMPERATURE Ie).

, FIG. I. Dark conductivity and photoconductivity as a function of (a);. pressure at the fixed T, of ISO'C and (b) substrate temperature at the, filed pressure of a.s Torr, The inset is a schematic diagram of the If-GO"~deposition system.

. We obtained device-quality rf-GD films from the U. S.1 National Renewable Energy Laboratory and measure their;' properties using the same apparatuses and conditions ..These rf-GD results are reported below for purpose of.comparlson.

In Table I, we summarize measured optoelectronic.properties of the 1-llm If-GO a-Si:H prepared at optimal

temperature and pressure. The properties we measure fordevice-quality rf-GO I-flm films are shown for compari-son. We next discuss these results in detail.

A. Photoconductivity and dark conductivity

Figure 1 shows photoconductivity and dark conductiv-ity of If-GO films. We measured photoconductivities with2.5 mW /cm2 of 0.633 flm illumination from a He-Ne laser.The measurements are performed at room temperature in acoplanar electrode configuration. The data scatter shown isfor repeated film depositions at nominally identical condi-tions.

The highest photo-to-dark conductivity ratio is ob-tained only for 0.5 Torr of SiH.• pressure and T$ between150 and 170 ·C. The low dow rate yields a better ratio thanthe high flow rate. The other optoelectronic and structuralindicators of film quality also indicated the same narrowrange of optimal film deposition parameters. The photo-to-dark conductivity ratio of 7.5 X 104 of our If-GO films isabout 20% lower than in rf-GO films. The small differencemay simply reflect a slightly higher optical band gap andsmaller absorption in the If·GD films. The If-GO filmshave a room temperature value of CTd=: 10-9 (n cm) -I anda dark conductivity activation energy Ea of about 0.7 eV.With the measured E,-I.72-1.8 eV this indicates a Fennienergy near midgap. There is a rapid falloff in film qualityfor values of TJ above and below the optimal range. Forexample, films deposited at 230·C have a greatly reducedCTph/CTd< 104 and Ea=:0.3 eV.

The dependence of photoconductivity on intensity inthe range, 1= 1-100 mW/cm1 can be expressed as CTph=:[Y

for both If-GO and rf-GD films. The value of r is compa-rable in the two types of films. This suggests that roughlythe same recombination pathways detennine the If·GDand rf·GD steady-state photoconductivities.

B. Near-Infrared absorption

Figure 2 shows the absorption coefficient spectra fromwhich we derive Eo and Nd' The spectra are taken by theconstant photocurrent method (CPM).9 Eo is about 10me V wider in our If-GO films than in the rf-G 0 films,indicating a somewhat broader valence bandtail state dis-tribution. We calculate the absolute magnitude of Nd bymultiplying the absorptance at 1.2 eV by a calibration fac-tor of 1.9 X 1016 cm -2, as suggested by Smith et af. 10 How-ever, measurements in other laboratories on nominallyidentical rf·GD films suggest that the absolute magnitudeof N d we detennine may be too high by a factor of 2 or 3due to calibration error. In any case, the defect opticalabsorption in the best If-GO film is twice as high as inrf·GD a-Si:l!.

C. DIffusIon length and transIent photoconductIvIty

We measure the ambipolar diffusion length by thesteady-state photocarrier grating technique. II Ld is about130 nm for the high flow oflf-GD films. comparable to thevalue in rf-GD films. It is only about 83 nm in low-flowIf-GO films. The measurements were made in the low elec-

If-GO

Units High Dow Low Dow n-GD Error

T, 'C 170 170 240 =10a" (Oem)-I O.7X 10-9 1.3X 10-9 1X 10-9 20%

a" activation energy E. eV 0.7 0.6S 0.71 =O.OSaph (Hem)-I 2 X 10-5 I X 10-4 I X 10-4 20%

arh/a" 3x 104 7.5XI~ lXIa' 40%Y from arh-/f 0.66 0.8S 0.67 =0.05

Eo meV 58 54.5 46 :1:4N" from CPM em-J 2x 1016 3x 1016 I X 1016 :1:100%

L" nm 130 83 130 :1:10JI. reI. units' I 0.9 :1:20%

{3from ~arh-(t)-tl 1.03 1.05 :1:0.05E, eV 1.73 1.80 1.75 =0.05R OJ 0.25 0.065 :1:30%

Hydrogen content at. % 16 12 8 :1:20%

tric field « I kV/cm) and ambipolar regimesl2 in whichLd is governed by hole transport in the material.

We performed a transient photoconductivity study ofour films by using 4 ns laser pulse excitation at A=0.59J.Lm. In this intensity range « 10 I-lJ/cm2) photoconduc-tivity is a linear function of intensity. We find the earlytime mobility J.L at the peak of photo response from theexpression J.L=flGhvL2/e( I-R)E. Here flG is the mea-sured conductance, R =0.3 is the assumed reflectivity fromsurface, hv is the photon energy, L is the length of thephotoconductive gap, and E is the pulse energy. We findthat in the high-flow If-GO sample. I-l is between 0.1-D.5cm2jV s, comparable to our rf-GO result. As an indicator

-, - -.10' :. +.

" If· GO• rt • GO

E :;t:.u10'

f-ZW

U(;:10'u. .

w ~+40 ~:.u

tz0 10' tf-Il.a:0VIaJ« ~ '0 ,

10· • ~'ff,".••• - : + •.•.

t- • +\.+.,..: .10' +-......-,-......-,-......-,-......-,-......-..,..-......-..,..-..,..---j

08 10 1'2 "14 1'6 18 20 22

ENERGY leV}

FIO. 2. Constant photocurrent method absorption coefficient spectra forhigh-flow If-GO and rf-OO films.

of the density of shallow conduction bandtail traps,I3 wemeasure the decay of photoconductivity from 10 to 400 ns.It follows Gph=t-

fJ, with {3= 1.03. Because {3 and J.L are

nearly identical in rf-GO films, we suggest there are similarconduction bandtails.

D. IR spectrum

Figure 3 shows the IR absorption spectra of optimizedlow-flow and high-flow If-GO films together with the spec-trum of an rf-GO film. By integrating the wagging modepeak (640 cm - I) and multiplying the proportionality con-stant 1.6X 1019 cm2,13 we determine the hydrogen contentin the films. The frequency of this 640 em -I vibration doesnot seem to depend on the preparation conditions. 14,13 TheH content is between 13-20 at. % in high-flow and 10-15at. % in low-flow If-GO films, but is between 7 and 9 at. %in rf-GO films.

A small band-bending mode (840-890 em -I) peak isobserved in our If-GO, as in those of Ref. 7. It appears thatisolated SiH2 groups, having a mode at 875 cm - I, are

FIO. 3. IR absorption spectra of rf·OO and If-OO films. Absorption peakpositions disc:ussed in text are indicated by dot-duhed lines.

present, rather than polymerized (SiH2)" groups with theirscissors modes at 845 and 890 cm -1,14 The If-GO film alsoshows a small peak at 980 cm -I, which was identified as anoxygen-related hydrogen complexl4 and suggest some 0contamination. Within the stretch-mode peak, the ratio ofthe 2090 cm -1 to the 2000 cm -I peak areas, R. is com-monly adopted as a microstructure parameter of a-Si:H, Itis a factor of 4 greater in the If-GO film than in the rf-GDfilm, most likely due to the isolated SiH2 groups.

Finally, the ratio of the stretching to the wagging band: areas in both high- and low-flow If-GO films is up to 70%· larger than in the rf-GD films. There may be an unusually1 large oscillator strength of the H stretch mode in the If-GD: films. Shanks et ai. 16 previously found that the oscillator; strength decreases with increasing H content in rf-

sputtered films annealed below 260 'C. Here we observe theopposite behavior: higher H content in If-GO films is cor-related with an increase of the oscillator strength of thestretch-mode band. It should be noted that Tochitani

. et aJ.7 grew high-quality If-G D films with a ratio of stretch-:ing to wagging Si-H modes that appears similar to the ratio· observed in rf-GD a-Si:H.

We speculate that the differences between If-GO dep-osition and previous rf-GD and dc-GO deposition resultsare caused by a low-energy, periodic ion bombardment of

: the growing If-GO a-Si:H surface. Ions are basically im-· mobile in discharges of frequencies above about I MHz,; but bombardment can occur at lower frequencies. For ollr,i If-GO deposition, we are using a three-electrode geometry· similar to that used in proximity dc-GO deposition to pre-,vent ion bombardment of the sample.6 However, in If-GO,. the voltage reverses twice per cycle and is near zero for asizable portion of the cycle. At 10 V, an H+ ion is accel-erated across typical electrode spacings in about IllS and.this time decreases with voltage as V-I12

. Consequently,'for our 60 Hz applied voltage of 450 V. some lower-energyions will reach the substrate while the applied voltage islow. This may cause a periodic etching and deposition atthe a-Si:H surface similar to that investigated by Tsuo'et aJ. 17 Because the ion bombardment supplies energy forthe mass transport required 10 prevent formation of coor-dination defects and microstructure. it may explain tlle lowiubstrate temperature that optimizes If-GO of a-Si:H.

IV. CONCLUSIONS

'." To summarize, we deposited high-quality a-Si:l1 by aHz glow discharge from SiH4 gas. The If-GO films have

rf'

optoelectronic properties nearly as good as those of device·quality rf-GO a-Si:H. Further optimization of If-GO dep-osition parameters should improve the properties still fur-ther by control of ion bombardment.

The present film quality is sufficient to enable a-Si:Hdeposition, research and device fabrication withont the useof frequency conversion equipment. The reduced substratetemperature at which the best If-GO films are depositedpresents opportunities to use a-Si:H with temperature-sensitive materials and in novel device structures.

The authors thank R. S. Crandall of the National Re-newable Energy Laboratory for supplying rf-GD a-Si:Hsamples, 1. G. Ferreira for assistance with optical absorp-tion measurements, and Y. S. Tsuo for helpful discussions.V. G. acknowledges CNPq/RHAE for a research fellow-ship at IFQSCIUSP.

I For a review, see Y. S. Tsuo and W. Lull. Appl. Phys. Commun. 10.71( 1990).

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9M. Vanevek, J. Kovka. J. Stuchlik. Z. Kozisek, O. Stika, and A. Trivka .Sol. Energy Mater. 8, 411 (1983).

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\1 S/MPOlf)/O I?STAD UAL DE-I jt~I~'lll\'I~-'AI)LICAr;OE.S16 a 18de (Julubro de 1992

INS.,.,.,.,' /'(J IJH l'HSQlIISAS HNERGETICAS E NUCLEARES

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co cujo inlerpssp "1"11 111'"11'111.1111<10. I" i Ill' i I,nllllellt e par BURS propriedades foto"ol-'Tl I~~~',taicas, comLJinurln!l ""Ill I) rnei I idndl' oil' I'lorlll~ii() em gram-Ies areas. lis varios DIl~-' .. ~:,.

'; todos de produc;no d.· !1 :: i :II 'Ille '1":11 I' rlll1 PIli r i lmes com propriedades diferentell.: t-'Neste lrahalho f17,P1I1W; 'III' n~lllll" 01" ri I,",,~ l'1oduzidos por descarga luminescente'{:de baixa frequencill ((,I) 11,,). "I"J: TecniclJs de ('nl(1l'll"li7.nt.;rjes <'IIi"lIf; I' f'letricas S80 usadas para determin~~",lIaO da qualidade rllHI Ii Imps, COIIIO "p,<1 I' " <'II il'O, energia de ativar;ao, comprimento ~ ~~!de difusoo dos fl,t0I'0T t nrlf)n~s. (llIll(1 nlll r n!l I:ecnicas •.1

PAINEL54 I'HIJllIll,,:AIl F: (:AHACTER 17./\<;1\0 Dr. Flur!S'VINOS DE SIL1cIO AMORFO

1lIlII!OI;I-:tIAIJO (n-:-;i :11) POll IlESGARGA LUMINESCENTE A 60 IIz

Lillo rlinogllli, .Io!le F, I·n!l~lllli. Antonio N. Nakagaito,r

Vyl:nllln~ l;rivi"I'ns (Villlill~ IIl1iv.! p V.S. Bagnato - IFQSC-USP

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OPTICAL PROPERTIES OF AMORPHOUSSILICON MEASURED USING Z-SCAN

TECHNIQUEKOLENDA, .J.; GRIYICI<AS, V.

Vilniu.f Unll'emty· Vilniu.MISOGUTI, L.j FRAGALLI, .J. F.; ZILIO, S. C.;

I

BAGNATO. V. S.IFQSC, US?· Suo Car/o$

Thc invcstigations of amorphous hiorogenatco silicon(ilrSi:lI) in recent time have attract many attentionJue 1.0 the possible <Ipplications of this layers in op-tical devices. The technology of a-Si:II, comparcd tothe cristallinc semiconductors. is inexpensive and thereis at prcscnt time thc possibility to producc the largcsurface area of the a-Si:II thin films of good optical qua-lity. The involving of this material in devices, based onnonlinear optics elrects predicts the estimation of no-nlinear optical propert.ies of a-Si:lI. In many works thetime-resolved photo induced absortion (PA) ami lightinduced grating (LlG) methods was used to estimatephotoinduced changes of the optical dielectric functionand carrier dynamics in amorphous silicon films. In thisletter we employ z-scan technique (ZST) to investigatethe third order nonlincar susccptibility of a-Si:II filmsproduced by glow-discharge tcchniquc. The excitationof the samples was performcd using light pulses produ-ced by Ith6G dye laser pumped with second harmoniclight pulses of actively mode-locked Nd:YAG laser. Weconsider the change of absortion coefficient caused bycarriers above optical gap absortion. The infiuense ofthe overlapping effects (interfcrence effect and thermaldrect) 011cxperimcntill rC'sults is discussed.

FOTOLUMINESCENCIA EM LIGAS DECARDETO DE SILICIO AMORFO

IIIDROGENADOl\lAGALllAES, C. S. DI::; ALVARI::Z, F.

IFGlI' /UNIC" AlP

A alta dilui ••iio dc hidrogenio na mistura de mct.ano esilana l'lurante 0 proccsso de dcposi<;ao por "glow dis-charge" permite produzir Iigas de Carbeto de Silicioamorfo hidrogenado com baixa densidade de cst ados(1016cm-J) e bai..xa cauda de Urbach (5()"60meV) (I).Estuuamos este material atravcs da tccnica de fotolu-minescencia (PL), utilizando 11IT1laser de Argonio nalinha 5145A para excitaA;iio. Os resultados obtidos fo-ram comparados com aquelcs do Silicio amorfo e Car-beto de Silicio fabricados de modo convencional, isto e,sem dilui ••ao de hidrogenio. Observamos a i7K que 0comportamento da largura ua banda PL, relacionada arecombinal;ao cauda-cauda, escala com a cauda de Ur-bach. Esta similaridade nos leva a pensar que a larguracla banda PL rellete a largura das caudas das bandasde valencia e eondu<;iio.Assumindo que a dependencia da efieiencia PL em

func;ao cia temperatura segue a relac;ao (2)

[(I/yr) _1]-1 = Yo exp(-T/Tt)

onde YL e a eficiencia PL e TL a inclinac;iio da cauda dbanda, esta sendo em torno de 25K para a-Si:II. Verilcamos que ° n08SOmaterial se comporta mais proximmente ao Silicio amorfo do que 0 convencional. Paranosso material obtivemos TL ::::50K, e para 0 convelcional em torno de 1021(.Finalmente, resultados da dependencia da PL comintcnsidade de excita~ao e com a energia de excita~a,sao apresentados e discutidos.

(l)Alvarez F.,Sebastiani M., Pozzili F., Fiorini P. allEvangelisti F., 19\)2, J. Appl. Phys., 71(1), 267.

(2)R.A.Street, "Hydrogenated amorphous siliconCambridge University Press, 1991.

A INFLUENCIA DOS PLASMONS NOESPECTRO DE LUMINESCENCIA DOSSEMICONDUTOfiES DE GAP DlfiETO.

SAMPAIO, A. J. DA C.; COSTA FILIIO, Il. N. DA,

FREIRE, V. N.Departamento de Fi6ica da UnilJer$idade Federal do Cen,

Campu6 do Pici • Cx. PO$tal 6030 Fortaleza • Ceara -CEP 60-451.970

No trnbalho de Valder N .Freire sobre a infiuen'da interac;ao Coulombiana entre portadores no 'pectro de luminesceneia de semicondutores de G.direto,observou-se urn pico luminescente na borda'cspectro ou seja na regiiio de mais alta energia.Neste trabalho nos introduzimos urn novo IIamiltonia'que leva em considera<;iio a interac;ao Eletron-Plasnl'para tentarmos verificar realmente a causa do pico IJIlinescente citado acima.A raz ao de introduzirmos os Plasmons vem do f:l'Je que os mesmos sur gem quando existe uma forte iteratya.o Coulombiana no gas de Eletron-Iluraco.E:<e exatamente a situa ••ao que ocorre nos semicondutres altamente excitados, proporcionando portanto p,siveis processos de recombina.c;a.o entre os elelrons e 'plasmons.

Degradac;ao da Supcrf£cie de InGaAs e 1111'Submetidas a Plasma de H2

GoaaI, A. L.; LAMAS, A. C.CPqD Telebrci6, C.P. 1579, Campina8 13088-061

Plasma de hidrogenio e uma tecniea amplamente uti:zada na fabrica~a.o de dispositiv08 optoeJetr6nic08 eOIbase em semicondutores Ill-V para uso em telecom.nica<;oes. Esta tecnica e empregada na remoc;iio de hdrocarbonos, oxidos nativos, deposic;iio de dieJetric(e no ataque quimieo de ligas semicondutoras. A e:posiC;iio direta de 8Uperficies de' InP a plasmas de II

lIIesmo que a temperatura ambi('nte, provoca perda deftisforo devido a cria~5.o de fosfina conforllle dClllons-tram as resultados de EDX.Alllostras de InGaAs, parcialmente cobertas por foto-resiste, foram submetidas a plasma de 1I2 de baixatlcnsidade de potencia (0.28 W /cm2). Resullados delIIapeamento da intensidade de fololuminesccncia uopieu de recornbina~ii.o banda-banda. do InGaAs I indi-r:alll 1I1lla.redu~ii.o na iutcnsiuaue uo sinal uclclado narcgiiio uescoberta. ua amoslra. proporcional <10 lempodc exposi~;io ao plasma. A \'aria~iio lemporal niL ill-I.cnsidaJc do sinal dc fotolurninesccncia desta re~iiio,aprcscnta comportumcnto similar ao de amostras de In-

GaAs passivadas com uilreto de silicio, ucmonslranuo;u;sun a cficacia do fotorcsistc COIllOmascara. Analisesimilar rnoslra que, a regiiiu exposla ao plasma Jc 11",apresenla urn au menlo Uil elicicncia dos mecalllSIlIOS Jerccombina"iio lIUo-raJiali va.

IlESPOSTA OTIC A NAO LINEAR DEFILMES FINOS DE u-Si:I1 COMDISCllIMIN ACAO DE EFEITOSELETllONICOS E TERMICOS

RIBEIRO, Il. 1\1.; I\IAIlGULIS, W.Departamento de Fi .•icCl, PUG-Ilio

LEITE, C. A. f.Irutituto de FisiclI, UFF

GUEDES, I.IFQSC, USE'-SC

Com a fiualiuade de calclllarlllos a slIsceptibilidadedClrica de 3a. ordem (\(3)) I' idelltilicar as cont.ri-IlIJi<;6eseletronica c tcrlllica l\ledilllos a diCiclIcla deaUlodifra<;a.o de lilJlle~ finus de u-Si:Il cm 53:.! nm nndea absor<;ao da luz e bastanie si~nilicaliva (> 105,1/1-1)

Hesolvelllos tcmporalmcnlC a rcde t.ransienle niaoa noslilllles por dois fcixes dc Nd- y,\(;. operando t~rn "Q-swilching" e "lTIode-lockin~" ulilizalloo como "prolJe"11111 laser C\V de IleNe de 10 m\V. Foi possivcl observarit difra<;ao do feixe de IleNe para caua irem de pulsosdo laser de Nd:YAG. Moslramos assim ser possivcl dis-criminar as contribui<;oes cletronica e termica para 0

calculo dc X(3) a parlir Ja observa<;Uo ua forma"ao edecaimcnto tla redc transiente.

Z-SCAN WITH TEMPORAL RESOLUTIONMISOGUTI, L.; FRAGALLI, J. f.; ZILIO, S. C.;

13AGNATO, V. S.IFQSG, USE' - SaD Gurlos

KOLENDA, .I.Vilnius Oniversity - Vi/lliu .•

The z-scan technique (ZST) provides the possibility toiuvestigate optical refractive and absorplive nonlineari-lies in thc simple way. This technique enables to oblainthe real and imaginary part of the lhird or higher or-ders nonlinear susceptibility. Using ZST one get the

definition of the sign of the optical nonlinearity, whatis not possible to determine from light induced grating(LIG) method, because LIG signal is proportional tothe square of X(3). The ZST provides the possibilityto overpower this and other difficulties. In this workswe show a like two colours z-scan technique to investi-gale the magnitude and temporal behavior of the ab-sorption coefficient and refraction index degenerated aswell nonuegenerated nonlinearities. This method was.employed for experirpental investigations of optical no-nlinearities in CdSSe microcrystals containing glasses(colllcrcial Shott OG550 filters). The estimated valueof the real part of X(3) = 1,910-d esu at time overlap

of pump and probe pulses. The experiemental resultsobtained by other groups are in range lO-d - 10-12 esu.

LASEllS DE PO<;0QUANTICOTENSIONADO EMITINDO EM 980 nm

PAllA usa EM AMPLIFICADOllESOPTICOS A FIDllA.

MACIIADO, A. 1\1.; nERNUSSI, A. A.; COGIII, C. A.;MARTINS, Il. n.

GE'QD. TELEBRAs

Os lasers semicondulores de potencia com emissiio em!J80nm demonstraram ser uma excelente alternativacomo fonte de bombeio altamente eficiente para os am-plificadores 6pticos a fibra dopada com Erbioa. La-sers com emissao neste comprimento de onda sao ob-tidos com estruturas utilizando po<;os quanticos tensi-on ados de GaAs/IIlGaAs. Em geral os lasers crescidossabre substrato de GaAs possuem como camauas con-f1llalltes ligas a base de GaAlAs. POrlirn, a aplica<;iiodesla liga em Jispositivos de palencia apresenla carae-ler'isticas illdesejaveis tais como uma menor dissipa<;iiot.lirlllica e uma maior facilidade de oxida~ao dos espe-Ihos, 0 que aumenta a probabilidade ue de~rada~iio douispositivob• Neste lrabalho apresentamos estrutura.<;laser de potencia com emissao em 980nm utilizalldo aliga de GainP como camadas confinantes, substituindoa liga de GaAI As. Eslas estruturas foram crescidas,processadas e caracterizadas no CPqD-TELEDRAS.Moslramos que a utiliza"ao desta liga, apesar de naoser tiio bem caracterizada quanto a de GaAIAs, permitca obten"ao de lasers com caracteristicas eletro-6ptica.<equivalentes aos lasers a base de GaAIAs, com promcs-sas de urn melhor desempenho do ponto de vista decollfiabilidade. Estruturas tipo "broad area" mostra-ram valores de corrente limiar da ordem de 180A/cm2,

eficiencia quantica diferencial interna de 70%, coefici-ente de perdas internas de 20cm-1 e potencias 6pticasacima de 350m W Iface. Os primeiros resultados ob-lidos com as estruturas tipo "llidge Waveguide" saolambem encorajadores: baixa densidade de correntelirniar (320A/cm2), boa eficiencia qua-ntica diferencialexterna (65%), potencia 6ptica de ate 90mW Iface e ex-cclente razao entre as aberturas dos campos afastados

FLUTUAQAO DA CORRENTE ELETillCAEM SISTEMAS DE DAIXA

DIMENSIONALIDADE FORTEMENTECORRELACIONADOS

LATOE, A.; ANDA, E.UFF

o ruido no transporte Jos portadores de cargas emhetcrocstruturas de dupla barreira 1I1lidimellsiollais ccstudado ncste trabalho usando-se 0 formalismo deKeldysh para calacular as fun~Oes ue Green fora doequillbrio. Como e bem sabido, 0 transporte de cargacm heteroestruturas de baixa dimensionalidade sofreum bloqueamento (bloqueamento de Coulomb) devidoa prtesen~a do eletron localizado 110po~o, 0 que pro-duz uma fenomenologia 111uito interessante no trans-porte elthrico. Propomos urn lIamiltoniano tipo impu-reza de Anderson para descrever cste sistema e adota-mos a aproxima.;ao da analogia de liga. A flutua<;a.>da corrente em fun<;ao da frequencia e do potencial ex-terno aplicado a heteroestrutllra, e 0 processo de mul-tiestauilidade produzido pela corrcla~iio cletronica saoanalisados. PropOe-se tallluCIlI 11111 <'xperilllenio para 0

estudo dos resultados tearicos outidos.

DETERMINAGAO DA VELOCIDADE DERECOMDINAGAO DOS PORTADORESMAJORIT ARlO EM FILMES DE a-Si:ll

PELA TECNICA DE SSPG.MISOGUTI, L.; FRAGALLI, J. F.; NAI<AGAITO, A.

N.; I3AGNATO, V. S.IFQSC, Usp. Siio Carlo"

KOLENDA, J.Vilniu" Univcr"ity. \'i/niu"

A tecnica conhecida como SSPG (Steady State Photo-carrier Grating technique) foi introduzido recentementepor Ritter et ai, permite a llIedida Jo cOlllprimento Jedifusao ambipolar dos fotoportadores em fimes finos Jesilicio amorfo hidrogenado (a-Si:lI). Esta tecnicae base-nda na cria"iio em estado estacionario de uma grade defotoportadores de pequena amplitude sabre urn fundouniforme de fotoportadores. Para produ<;5.0 da gradede fotoportadores utilizamos 11m laser de I1e-Ne sin-tonizavel. Esta mesma tecnica pode Ber utilizada paradetermina"iio da velocidade de recombina<;ao superficialem filmes de a-Si:II com a utiliza"ao de comprimentosde ondas diferentes para produ<;ao da grade de fotopor-tadores. As considera<;6es te6ricas e os resultados saoanalizados.

.o PROCESSO DE RECOMDINAGAO DOS

PORTADORES FOTOGERADOS NASLIGAS DE SILicIO E GERMANIO

AMORFOS HIDROGEN ADOSGRAEFF, C. F. DE 0.; CIIAMBOULEYRON, I. E.

UNlCAMP

BRANDT, S. M.; STUTZMANN, M.MPI·F[(F Stuttgart, Germany

Neste trabalho apresentamos 0 processo de recom-bina~ao dos portadores fotogerados nas ligas de silicioe germanio amorfos hidrogenados (a-Sil_rGer:II), clu-ciJados por medidas de Spin Dependent Photoconduc-tivity (SDPC). 0 estudo compreenJc todo 0 espectrode composi~oes das ligas a-Si1_rGer:II ( 0 i xiI ).As amostras Coram crescidas ua forma de filmes finos. 'com cspessura tipica de 1 llm. A analise dos forma-tos de linhas ( line shapes ), e do valores do Cator gencontrados, indicam que 0 processo de recombina~aodominante, para 100 KiT i 300 K, e ° tunelamentode eletrons da cauda da banda de condu~ao para limaliga~ao niio pendente ( dangling bond on ). as resul-tados apontam que incorporaljoo mesmo de pequenasquantidades de germanio ( 11% ) provocam grandesmudanljas no processo de recombinac;ao, seja pela in-troduljo de DDs do germanio, ou pelo alargamento dabanda de conduc;ao. As m\ldanc;as provocadas pel a in-corpora<;5.0 do germanio, sao responsaveis pela rapidadeteriora,,5.0 das propriedades opto-eletronicas nas ligasa-Sil_rGer:II com 0 incremento de x.

Tempo de vida em semicolldutores atraves dereHectiillcia.PIRES, t-.L P.

Departamento de n"ica • PUC-RioWElD, J. P.; SOUZA, P. L.

CETUC· PUC-Rio

Usando \1m laser Nd- YAG dobrado em frequencia comofeixe de bombeio e como feixe de prova urn laser semi-condulor gain-switched, com 0 comprimento de ondarcssonante com 0 gap do material, mede-se 0 tempode vida dos portadores de uma amostra semicondu-lara Este metodo utiliza 0 uatimento dos dois feixes

• em baixa frequencia para modular. tambcm em baixafrcqucncia, a reOetividade na superficie da amostra, deforma a ter a informa<;5.0 do tempo de vida inserida narcl1etividade. Determina-se, entao, 0 tempo de vida emcamadas espessas de AIGaAs e em pOljos quiinticos deAlrGal_rAs/ All/Gal-l/As e compara-se estes resulta-dos com resultados medidos alravcs de oulros melodos.

Vma nova abordagcm para 0 efeito dc"overshoot" de temperatura dos fOllons LO

REGO, L. G. C.; ALGARTE, A. C. S.UNICAMP

Estudamos a dinamica de portadores e fanons quentesgerados por pulsos opticos de 1 ps no cristal de GaAs.Daseados na blindagem eletr6nica da interac;ao polar,propomos urn novo modelo capaz de descrever adequa-damente 0 fen6meno de "overshoot" de temperaturados fonons LO. Esta nova abordagem, distinta da ante-rior (D.S. Kim e P. Yu, PRL 641990) por nao levar em

I!lSemicondutores - XVI ENFMCII

"Suftness" e Scgregac;ao dc Impurczas emScmiconuu turesDAL-PINO JIl, A.

Inltituto Tecnologico de Aeronautlca - ITA

Nos analisamos 0 processo de segrega~ao de impurezasem interfaces como uma rea~ii.o quimica entre impure-zas e a interfnce(l). Oeste ponto de vista, testamos ahabilidade dos conceitos de "local softness" e "hard-ness" para prever os sitios mais provaveis para a acu-mula~ao de impurezas. Investiga~ao a nivel de prirnei-ros principios da E = 5 tilt[31O] "grain boundary" emGe c aprcscntada c a cncrgia de acumulaGiio de dopantcs

I nessa interface e estudada. Nossos resultados mostramt que a analise de problemas de materia condensada pode

II ser enriquecidn pela aplica<;ii.o dos conceitos quimicos de"softness" e "hardness".;i (1) A. Dal Pino Jr. et ai, Journal of Chemical Physics

, (1993), aceito para publicac;ao

. Wire Crystals GaAs and InAs Grown by MnEun Purous Silicon

LUIlYSllEV, D. L.; ROSSI, J. C.; GUSSEV, G.;I3AsMAJI, P.

IFQSC.USP· Sao CarlOJ - SP.

Epitaxial layers of GaAs or (InAs) on porous Si (PS)have been grown at different substrate temperaturesT. = 200 - 5000e by molecular beam epitaxy (MDE).The dependence of the surface morphology on thegrowth conditions has been investigates. The possi-bility to grow GaAs (or InAs) nano-scale wire crystalswith lenghts of 5Jlm and diamcter bctwecn 75 auu IUUnm has been also demonstrated. We believe that thegcrm formation of nano crystal bcgins Ull thc output ufthe uislocation into the GaAs growing layer. The subs-trates useu wcre < 111 > oricntetl to ohm.em resistivityburon-tloped p-type silicon. The :lnutlizatiun was car-ried out using :.!5% IIF solution in waler, at currcntdcnsity of 30 mAl crn2. Aftcr electrochcmical prcpara-tion, porous silicon was introduced in MnE machincand GaAs (or InAs) was grown in two steps. Our re-sults show two 'possible mech<Ulisllls uf growth. Thcfirst mechanism we suggest is the anomalous long diffu-sion length of Ga adatoms on the lateral surface of thegrowing crystals. The secontl mcchanism, we supposethe existence of associates anti microclusters of Ga andAs atoms on the surface semiausorbtional layer.

NOVO METODO PARA DETERMINA<;A.ODE PAR.AMETROS OPTICOS DE FILMES

FINOS ANISo'TROPICOS.f,RAOALLI. J. F.; MISOGUTI, L.; SURDOTOVICII, G.;

VITLINA, It.IFQSC, USP . Sao CarlOJ

It propos to urn metodo para a ueterminat;ao das com-ponentes superficiais paralelas No: e perpendicular Nz

Jo indice de refrac;ao de filmes anisotr6picos sobre subs-tratos isotr6picos. 0 metodo e baseado nn medida dasoscilac; oes na relletividade da luz polarizada S e p.varianuo-se 0 angulo de incidencia. Para a polarizac;aoS 0 pauriio de interferencia depende apenas da compo-nente N~I ao passo que para a polariza~iio P ele dependelambem da componente N z. Variando-se 0 cingulo deincidencia 4>, a diferen~a de caminho 6ptico ,p e ,sserao diferentes e dependerao do grau de anisotropia.13 = (N,/N~) - 1. Para f3 « 1 esta diferen~a tornaa forma ,P - IS = j3 sen2(rphs/(N; - sen2(~). Paralilmes com espessuras da ordern de 2-3'\, onde ,\ e 0

comprimento de onda da luz incidente, e anisotropia f3entre 0.1 e 0.2 0 ntimero de oscila<;Oes das polariza<;oes

S e P podem diferir par 20 a 30% quando se varia ~de 0 a 1r/2. Uma estimativa deste efeito em filmesde silicio poroso sobre substratos de silicio cristalinoJemonstra uma excelente oportunidade para observar() efeito, rnesmo com medidas simples de refietividade,sem usar uados de elipsometria. 0 efeito se torna maisclaro para casos onde No: - 1 < 1 que e tlpico em fil-mes de sillcio poroso com porosidade suficientementegrande.

COMPORTAMENTO DE NivEISPROFUNDOS METAEST A VEIS COM 0

CAMPO ELETRICO EM AMOSTRAS DEGaAs-n SUDMETIDAS A RTA

PASCOAL, II. D.; COSTA, J. A. P. DAUFRN

PUDENSI, M. A. A.UNICAMP

I~sabido que alguns n:veis profundos no arseneto degalio e no fosfeto tic indio sao afetados por camposelt~tricos. 0 presente trabalho foi realiza- do em amos-tras de arseneto de galio dopados com sillcio a umaconcentra- t;ao de 1016/cmJ. As amostras foram sub-lIletidas a RTA (Rapid Ther- mal Annealing) a umatemperatura de 870°C durante 60 seg. com duas cober-turas diferentes: dioxido de silicio e spin-on-glass do-pado com estanho (SOG:Sn). Os espectros obtidos porDLTS (Deep Level Transients Spectroscopy) revelaramna amostra recozida com dioxido de silicio, a existenciade quatro nlveis, dos quais dois mostraram-se ser eletri-camente controhiveis. Na amostra recozida com spin-on-glass foram observados dois nlveis, sendo que apenasurn mostrou-se sofrer infiuencia do campo eletrico. De-vido a rever- sibilidade dcsscs niveis, foram sugeridosalguns modelos como sendo constitu- Idos por defeitospontuais, defeitos complexos e impurezas rasas.

IMPLANTA<;AO DUAL DE iONS DE BOROE CARDONO EM SILicIO.SOUZA, J. P. DE; BOUDINOV, H.

UFRGS

de trnnsmissiio foi observado e se mostrou dependenteda tensii.o aplicada. Uma analise quantitativa tla cner-gin de separa~iio entre os niveis discrelos 1-D e feita ebaseia-se na rnodelizal;iio do potencial perturbador porurn potencial harmonico.

ASSOCIAQAO EM SERlE DE RESISTORESDALisTICOS

NEVES, J. 1\1.UFAtG

MAIN, P.; EAVES, L.; IIENINI, 1\1.Nottingham Unive"Jiiy. lIeirw Unido

EsLuuou-se a associa~iio cm scric de dais conLatosquanticos puntuais com separac;iio inferior ao caminholivre medio dos el'etrons. Esses resistores balisticos fo-ram criados por "split gates" fabricados sobre uma he-terojunc;ao de GaAs-AIGaAs. Duas geometrias foramconsideradas: uma contendo contatos quantico!! coli-neares e outra com contatos perpendiculares. Meciiu-se a rcsistcncia da associac;ao e a rf'sistcncia indivi-dual de caJa contato quantico CO III 0 func;iio Ja tensaoaplicada aos gates ern diferentes campos magneticos.Foi confirmado que em geml as resislcncias de resislo-res ballsticos nao segue a regm classica de sOllla. Defato a resistcncia da associac;iio pode ser consideravel-mente menor que a soma Jas resistcncias dos contatosquanticos. Apartir do formalislllo de Landauer- Uutti-ker, derivou-se uma expressao geral para a resistcnciada associac;ao em termos dos coeficientes de Landauer.Esses coeficientes foram calculados apartir dos resulta-dos experimentais e mostrou-sc que sua dependcncia nalafl~ura dos contatos quanticos e no campo magneticoaplicaJo pode ser cntendida classicalllenLC.

DEPENDENCIA TEMPORAL DAREDU<;AO NA CONCENTRAGAO DE

DOPANTES EM ESTRUTURAS MOS AP()SEXPOSI<;AO A RADIAGAO IONIZANTE

VASCONCELOS, Eo A. DE; ./UNlOll, E. F. IlA S.DC;Jar·tarnclito de F,'$lrn - [I FI' /.:

A gerac;ao de dcfeitos em estruturas ~letal-6xido-Semicondutor (MOS) tem sido objeLo de intenso estu<lopor varias decadas. Defeitos gcrados nas vizinhanc;as <lainterface Si02/ Si sac os principais responsaveis por fa-Ihas em dispositivos e circuitos de tecnolo~ias vanl;adas.Nest.e trabalho apresentamos resultados recentes da ir-raJial;ao de estruturas MOS par raios-X corn cnergiade 40/(eV, que geram defEtitos na illt.erfacc Si02/Sic cuja conseqiicncia e a reduc;ao na concentrac;ao apa-rente de Jopantes no sililio. Esta reduc;ao se d<i ernlarga escala dependendo da dose de radial;ao e apre-senta uma din arnica temporal ao longo de muitas ordensde grandeza. Discutiremos os pariunetros mais impor-tantes que afetam a Jinamica destes defeitos, entre os

quais destacam-se: a dose total de irradiac;a.o, ° tama-nho do dispositivo, a distribui~ao de stress na interface8i02/ Si, e a espessura do tHme de oxido de silicio. asresultados indicam que a redu~ao na concentral;ii.o dedopantcs nas vizinhan~as da interface Si02/ Si, estaassociada ao enfraquecimeneto e/ou quebra de ligac;6esquimicas nas suas proximidades e com a forma~iio dearmadilhas eletricamente ativas ou nao. Estas, apri-sionam portadores e ocasionam uma redu~ao da con-centra~ao de dopantes. Mostraremos que estes defeitosuma vez gerados, prolife~am.se nas vizinhan~as da in-terface SiG-!! Si, degradando as caracteristicas eletricasdos dispositivos ate sua Calha total.

Crcscimento, Caractcrizar;iio c Pro-]J1'icdades 6pticas (SEM) - 10/06/94

MEDIDA DO PRODUTOMODILIDADE-TEMPO DE VIDA EMESTADO ESTACIONA.RIO DOS DOISPORTADORES NO a-Si:H USANDO A

TECNICA DE SSPGI'v11S0GUTI, L.; NAKAGAITO, A. N.; RAMOS, L. R.;

BAGNATO, V. S.IFQSQ, USP - Sao CarlO$

FRAGALLI! J. F.

Departamento de FiJica - CampuJ de Bauru - UNESP

A tecnica de SSPG (Steady State Photocarrier Gratingtcchllique), atualmente largamente utilizado para me-dida de comprimento de difusao ambipolar dos portado-res no silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) e suas ligas,110 regime de alt.os campos eletricos permite determinartj valor precise do produto mobilidacle-tempo de vidalilT) para ambos portadores. Estes dois parametros saode fundamental importimcia para as propriedades opto-e!etronicas do material, J.l contem informac;oes sobremecanismos de transporte, e T mecanismo de cineticade recombinac;iio. Portanto lui. urn grande interesse dese collhecer 0 valor exato Jestas granJezas. Allalizamosesta nova tecnica de mediJa com os metodos tradicio-nais de fotocondutividade, que tern uma grande impre-cisao devido a dificuldades inerente:J de dificH soluc;ao,e comparamos os resultados e 0 regime de validade.

Medidas de Fotoluminescencia em Poc;oQuantico Assimetrico de InP-InGaAs

CARDOSO, A. J. C.; MORAIS, P. C. DE

Departamento de FiJica UnilJe,.,idade de BroJl1ia.

Apresentaremos medidas preliminares de fotolumi-uescencia em POl;Oquantico assimetrico simples em he-terostruturas de InP-InGaAs, crescidas por VLE ("Va-

ANALISE COMPOSICIONAL EESTRUTURAL DE AMOSTRAS

ENVELHECIDAS DE SILicIO POROSO.FREIRE JR, F. L.

Departamento de Fi!ica - PUG-IliaMARIOTTO, G.; ZIGLIO, F.

Dipartimento di Fi!ica, Uuiver!itiJ di Trento - Ita/in

Neste trabalha saa apresentadas resultados da analisesUJlerficial de amostra-, envelhecidas de Silicio- Poroso(SP), com diferentes graus de Jlorosidade (65 e 85%),com a utiliza~ao de tecnicas nucleares: EROA, RilS,Channeling e Rea~oes Nucleares. A analise estru-tural e feita com micro-Raman. Resultados de fo-toluminescencia tambern serao discntidos. A amilisequirnicB indica a presen~a de considcni.vel quantidadede oxigenio, carbono e hidrogenio na superficie dasamostras estudadas. A analise Raman revela diferen-tes microestruturas das camadas de SP, que emitem novisivel com eficiencias muito diferentes e com maximode fotoluminescencia diversos. Uma correlal;iio entre aanalise composicional e a microestrutura permite inter-pretar os diferentess aspectos do espectro de cmissaode luz. 0 "blue-shift" observado no espectro de lu-minescencia da amostra com menor porosidade e expli-cado com 0 maior consumo de silicio durante 0 processode envelhecimento da amostra.

Effect of alloy disorder and structural defectson exciton properties in lattice-matched (100)-

and (31l)-oriented InGaAsjGaAs quantumwells

GUlMARAES, F. E. G.; LUBYSIIEV, D.; SIBRAO, E.R.; CIIITTA, V. A.; 13AsMAJI, P.

lU.ltituto de Fisico e Quirll'co ,Ie Slio Carlos, USP

Photoluminescence (PL), photoluminescence excitation(PLE) and Raman spectroscopy are used to analyse theproperties of pseudomorphic InGal-xAs/GaAs quan-tum well (QW) structures. Strained QW's with dif-ferent thicknesses (2nm<Lz<lOnm) are grown by mo-lecular beam epitaxy side by side on (100)-, (311)A-and (311 )D-oriented GaAs substrates. There are signi-ficant differences in the optical properties and growthkinetic of samples having the two inequivalent (311)and the (100) surfaces. PL spectra at 17 K observed inthis work from 3 nm InO.2GaO.8As/GaAs single QW'sshow high quality QW's and extremely narrow gaussianshaped excitonic emissions with linewidth of about 0.8meV for both (311)- oriented samples. However, all ori-entations have different dependence of the luminescencelinewidth on the well widtl\. For the (311)A sample, theobserved Lz dependence of the linewidth is a commonfeature of InGaAs/GaAs QW's and is well explained interms of an inhomogeneous broadening of the excitonicstates by alloy scattering mechanisms. Indeed, accor-ding to our growth conditions used we expect very lowcontribution of interfacial scattering mechanism. These

results show further that the alloy disorder in the In-GaAs well is higher in the (100)-orientation than in the(311)A ones. In the case of the (311)il- orientation thebroadening of the excitonic linewidth is limited not onlyoy alloy disorder but also by defect-related mechanisms.Raman and PL measurements on highly strained multi-ple quantum well structures also reveal different strainstates and different mechanisms of lattice-match acco-modation in the three orientations studied here. Weobserve that the InGaAs layers with (311 )A-orientationare more stable in terms of elastic strain accomoda-tion than by generating misfit dislocations. Accordingto the above findings, we state that the different alloyand defect states are originated in the different growthmechanism on the three inequivalent (311)- and (100)surfaces.

ESTUDO DE DEFEITOS METAESTAVEISINDUZIDOS POR RAIOS-X EM FILMES DE

SILicIO AMORFO HIDROGENADOFRAGALLI, J. F.

Departamento tie F,'sica - Campus de Dauru - UNESPMISOGUTI, L.; NAJ<AGAITO, A. N.; llAMOS, L. ll.;

BAGNATO, V. S.IFQSQ, US? - Sao Gar/os

Filmes de silicio am or fa hidrogenado preparados pardescarga luminescente a 60 Hz foram submetidos aradia~iio eletromagnetica de alta energia (Raios-X nafaixa de 1.5 keY). A radial;8.0 provoca 0 surgimento dedefeitos metaestaveis no filme, similares it.queles provo-cados par luz visivel, conhecido na literatura par EfeitoStaebler- Wronski. Os valores da energia de ativac;iio dacondutividade aumentam ap6s a irradial;8.0, indican dourn abaixamento do Nivel de Fermi; 0 valor do "Urbachedge" tambem aumenta, indicando 0 aumento na den-sidade de defeitos no "gap". As propriedades originaisdo filme sao recuperadas ap6s recozimento do filme emtorno de 150 C. Propriedades eletricas relacionadas aolransporte de portadores, e propriedades 6pticas rela-cionadas it.estrutura dos filmes foram medidas em tressitual;oes: antes da irradial;8.0, ap6s a irradial;8.0, e ap6so recozimento.

EFEITOS DA RADIAQAO DE ALTAENERGIA EM InP E InGaAs

RIBAS, P. R. F.IME.RJ/UFF.RJBELLINI, J. V.

IME-RJSOUZA, P. L.; MENDES, W. M.

CETUC/PUC.RJ

A determinal;8.0 das propriedades dos compostos semi-condutores sujeitos it.radial;ii.o e relevante devido ao fatode tal exposi~iio provocar mecanismos de degradal;ii.o,ao introduzir centros de recombina'iao nao-radiativos,

as gases nobres de modo que 0 perfil implantado fosse11m plato na regino de 1000 A a partir da superficie.Utilizou-se reac;ao nuclear para confirmar 0 perfil deprofundidade do nitrogenio nas amostras pre e pos im-plantadas. Verificou-se por raio-X que a irradial;iio pra-licamente nao modificava a amostra, porem por CEMSouservou-se urn espectro significativamente diferente aonao implantado, com urn aumento do numero de sitiosCOlli campos na regiiio de 200 KG, campos tipicos denitretos l-Fe2+r N. Verificou-se tambem que os nitretosformados apos a implantal;aO cram instaveis a 250°C,apes 0 que se reestruturavam em nitretos estaveis atetemperaturas da ordem de 400°C.

Filrnes Finos (SUF) - 09/06/94

CINETICA DE FORMAGAO DOSNITRETOS DE FERRO EM

POS-DESCARGASILVA SOBRINIIO, A. S. DA; DRAGO, V.; SOUZA, A.

fl. DEUnilJer!idade Federal tic Sallta elltarllla - UFSC

Carnadas finas (- 300 nm) de nitrctos de ferro sao for-madll.'l sobre urn substrato de al;0 SAE 1020 (0.2% Wtcarbo no ) por nitretal;ao em pos-descarga numa atmos-fera de N2 + trac;os (entre 40 e 180 ppm) de C1l4,sob pressao de 4 Torr em fiuxo. Com 0 objetivo deestudar a cinetica de formac;ao destes nitretos varia-mos as tempcraturas de tratamclllo de 400 G a. 540G e tempos de 15 min. a 60 min. As ancilises porcspectroscopia Mossbauer (GEMS) mostram que a ni-tretac;iio se inicia pel a formac;iio de aglomerados de fa-ses metaestaveis identificadas como FeN e Fel.6N e queevoluem para a fase ~-Fe2N em temperaturas inferio-res a 450 C. 0 espectro GEMS a temperatura ambi-ente da fase FeN apresenta. apenas urn singleto para-magnetico corn largura de lillhas de apenas 0.24 mm/se deslocamento isomerico IS = 0.047 mm/s, 0 que cor-responde a um ambiente de coordenac;ao tetraedricapara 0 atomo de ferro. Ela possui uma estrutura ctibicatipo ZnS com parametro de rede a='1.33 X .I<i.a faseFe1.6N apresenta no espectro GEMS um dubleto pa-ramagnetico (QS - 1.31 mm/s e IS = 1.90 mm/s) delinhas muito alargadas, evidenciando varios ambientesde coordenac;ao para 0 atomo de ferro. Nao foi possivelobte-Ia isoladamente e a :;ua estrutura nao foi deter-minada. Tratamentos termicos mostraram que ela re-presenta urn estagio intermediario na evoluc;ao da faseFeN para a fase ~-Fe2 N. Gom resultados anterior-mente realizados, conclui-se que a cinetica de formac;aodos nitretos de ferro se da atraves da evoluc;ao: FeN- Fel+rN - e-Fe,N - l - F2-3N - "r'-Fe4N,

onde :r < 1, e cada etapa e acompanhada por evoluc;aode nitrogenio.

ODTEN<;AO DE CARDETO DE SILICIOAMORFO HIDROGENADO A PARTIR DE

DESCARGA LUMINESCENTE A 60 HzFRAGALLI, J. F.

Departamento de Fi!ica • Campu! de Bauru - UNESPNAKAGAITO, A. N.; MISOGUTI, L.; RAMOS, L. R.;

BAGNATO, V. S.IFQSQ, USP - Sao Carlo!

Nos obtivemos filmes de carbeto de silicio amorfo hi-drogenado (a-Sit_rCzo:lI) com um reator de descargaluminescente tendo como gerador do plasma urn trans-formador 0-3000 V a 60 Hz. Usual mente urn geradorde radio-frequencia (RF) a 13.56 MHz e utilizado naobtenc;iio de tais filmes. As condic;oes nas quais estesfilmes sac preparados sao: a) temperatura do substratoentre 150 e 200 G; b) pressiio de deposic;ao de 0.5 torr,com mistura de silana (SilI4) e metano (CH4) em dife-rentes pressoes parciais; c) tensao no transformador de450 V e corrente no plasma de 3 mA, indicando umapotencia de 1.35 W. flesultados preliminares indicamque filmes de a-Si1_rCr:II com baixo teor de carbonoapresentam significante foto-sensibilidade, e a medidaque mais carbono e incorporado mais resistivo torna-seo filme.

RECRISTALIZAGAO DE FILMES DESILICIO AMORFO HIDROGENADO

INDUZIDA POR LASER DE ARGONIOllAMOS, L. It.; MISOGUTI, L.; NAKAGAITO, A. N.;

BAGNATO, V. S.IFQSQ, USP· Siio Carlo~

FRAGALLI, J. F,IJepartamento de Fi!ica - Campu! de Bauru - UNESP

Filmes de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:II) prepar;'l-dos por descarga luminescente a 60 Hz foram irradiado,o;com laser de argonia (cw Ar+ laser) de alta intensidade.Duas regioes distintas sao observadas no fHme ao tangodo raio do feixe incidente. No centro 0 filme apresenta-se quase transparente indicando urn proceaso de recris-tali"ac;ao acelerado. Em regiOes perifericas 0 filme apre-senta uma alterac;ao em sua cor: inicialmente verme-Iho, apas a incidencia do laser 0 filme torna-se ama-relo. A transic;ao entre estas duas regioes e abrupta. Aformac;iio destas duas regioes esta associada ao caratergaussiano do feixe. A recristalizac;iio e fortemente de-pendente da temperatura local, que por sua vez e maisintensa no centro do feixe laser, onde sua intensidade emaior. Figuras de microscopia eletr6nica de varredura(SEM) sac mostradas, e medidas da transmilincia dofilme em cada regiao sao realizadas.

universidade de saa paulo institutodefislca … · 2009-06-10 · aos meus colegas do departamento...

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