The effects of deposition conditions on the low energy absorption spectrum of microcrystalline silicon thin films prepared by HWCVD method

Abstract

Adı-Soyadı: Nebile IŞIKOkul: İzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüAnabilim Dalı: FizikProgramı: Fizik (Yüksek Lisans)Tez Başlığı: Kızgın Tel Yardımlı Kimyasal Buhar Fazdan Büyütme Tekniğiile Hazırlanan Microkristal Silisyum İnce Film MalzemelerdeHazırlık Koşullarının Düşük Enerjilerdeki Işıl SoğurmaKatsayısına EtkileriÖZETHW-CVD methodu ile büyütülmüş mikrokristal silisyum filmlerin optik veelektronik özellikleri durağan hal ışıl iletkenlik, iki demetli ışıl iletkenlik (DBP)methodları kullanılarak incelenmiş ve hazırlık koşullarının mikrokristal silisyumfılmlerin düşük enerjilerdeki ışıl soğurma katsayısına etkileri anlaşılmayaçalışılmıştır. Girişim saçaksız ışıl soğurma katsayısı spektrumu iki demetli ışıliletkenlik (DBP) kullanılarak elde edimiş ve elde edilen sonuçlar bağımsiz olarak ışılışın saptırma izgegözlem (PDS) ve sabit ışılakım (CPM) teknikleri kullanılarak eldeedilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. PDS, CPM ve DBP methodlarından elde edilensoğurma spektrumun bant enerjisine kadar uyumlu olduğu gözlenmiş ve bantenerjisinin altında meydana gelen farklılıklar ise tekniklerin farklı fiziksel yapıyasahip oluşuyla açıklanmıştır.Silane konsantrasyonunun düşük enerji bölgesinde elde edilen soğurmayaönemli etkileri olduğu gözlenmiştir. Yüksek silane konsantrasyonunda elde edilensoğurma katsayısı spektrumunun a-Si:H fılmlerin sahip olduğu soğurmaspektrumuna benzer olduğu ve silane konsantrasyonunun azalması ile malzemeninyapısında mikrokristal fazın baskın hale geldiği gözlenmiştir. Silanekonsantrasyonunun daha fazla azaltılması ile düşük enerji bölgesinde elde edilensoğurma katsayısının azaldığı ve SC=5% olduğunda en düşük değeri verdiğigözlenmiştir. En düşük silane konsantrasyon değerinde ise yüksek kristal yapıyasahip filmler elde edilmiş fakat elde edilen yüksek soğurma katsayı değerleri mikroyapının içerisinde bulunan kusur yoğunluğunun artması ile ilişkilendirilmistir.Filament sıcaklığının soğurma katsayısına etkileri sabit silanekonsantrasyonunda (SC=10%) büyütülmüş filmler kullanılarak incelenmistir. 1700ºC ve 1800 ºC fılament sıcaklıklarında büyütülmüş filmlerin amorf yapıda olduğuanlaşılmış fakat 1800 ºC filament sıcaklığında büyütülmüş filmin düşük enerjibölgesinde yüksek soğurma verdiği gözlenmiştir. 1880 ºC filament sıcaklığında isemicro yapıda mikrokristal fazın baskın olduğu ve elde edilen soğurma spektrumuntek kristal yapıdaki silisyumun soğurma spektrumuna benzer olduğu gözlenmiştir.İncelenen mikrokristal silisyum filmlerin çoğu için elde edilen soğurmaspektrumlarında kalıcı saçaklar gözlenmiş ve bu saçaların oluşması malzemeninhomojen olmayan yapısı ile ilişkilendirilmiştir. Homojen olmayan yapının etkilerininincelenmesi için DBP deneyleri tekrenk ışık ön ve alttabaka cam tarafından geçecekşekilde yapılmıştır.

Name: Nebile IŞIKSchool: İzmir Institute of TechnologyDepartment: PhysicsMajor: Physics (Master)Title of Thesis: The Effects of Deposition Conditions on the Low EnergyAbsorption Spectrum of Microcrystalline Silicon Thin FilmsPrepared by HWCVD methodABSTRACTThe optical and electronic properties of hydrogenated microcrystalline siliconfilms deposited by HWCVD method were investigated using steady statephotoconductivity (SSPC), dual beam photoconductivity (DBP) and transmissionspectroscopy methods to understand the effects of deposition conditions such as silaneconcentration and filament temperature on the low absorption coefficient spectrum, α(hν). The α (hν) spectrum obtained from the detailed optical calculation using therelative DBP and transmission spectra were compared with that independentlymeasured on the same samples using photothermal deflection spectroscopy (PDS) andconstant photocurrent method (CPM) techniques. The results were found to be inagreement with those of PDS and CPM at higher energy part of spectrum. On theother hand some differences exist among the spectra at lower energies. Thesedifferences were discussed to be consistent with underlying the physics of thesemethods.The effect of silane concentration on the sub-bandgap α (hν) spectrum wasfound to be substantial. At highest SC of 10% the α (hν) spectrum similar to that of a-Si: H is obtained. As SC decreases to 7%, microcrystalline phase becomes dominant.Further decrease of SC, the low energy α (hν) decreases and given a minimum aroundSC of 5%. For the lower SC?s, highly crystalline µc-Si: H films are obtained but the α(hν) values increases to higher values indicating an increase in the defect densitiespresent in the microstructure.The effect of filament temperature was investigated for a constant SC of 10%.It was found that at 1700ºC and 1800ºC, fully amorphous films are obtained but1800ºC results in higher α (hν) values at lower energies. At 1880ºC, microcrystallinephase becomes dominant and the α (hν) spectrum becomes similar to that of singlecrystal silicon.Finally, due to inhomogeneous microstructure of µc-Si: H, there are leftfringes on calculated α (hν) spectrum on same samples. The degree of theinhomogeneity was investigated by front and back ac illumination of DBPmeasurements. It was found that there exists a substantial differences on the spectrameasured on the same sample indicating importance of inhomogeneous film growthon optoelectronic measurements and its evaluation.