УДК 621.315.592:539.213:621.382.56
БУДАГЯН Б.Г., ШЕРЧЕНКОВ А.А.,
БЕРДНИКОВ А.Е.
СПЛАВЫ a-SiC:H, ФОРМИРУЕМЫЕ В НИЗКОЧАСТОТНОЙ
ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Московский институт электронной техники, 103498, Москва, К-498, тел.: (095) 5329932,
fax: (095) 5302233, e-mail: budaguan@ms.miee.ru
Сплавы a-SiC:H представляют большой научный и практический интерес. Эти
материалы применяются при изготовлении оптоэлектронных приборов, таких как
светодиоды и солнечные батареи (окна p-типа, слои на границе p/i перехода,
обеспечивающие более высокое их качество, активные широкозонные слои). Кроме
того, a-SiC:H интересен с точки зрения понимания фундаментальных свойств
неупорядоченных сплавов, закономерностей формирования различных типов связей
и их влияния на свойства аморфных материалов.
Известно, что микроструктура и электронные свойства пленок a-SiC:H очень
чувствительны как к концентрации углерода в пленках, так и к условиям их
получения. В настоящее время пленки a-SiC:H с требуемыми электронными
свойствами формируют в так называемом режиме низкой мощности, проводимом
при сильном разбавлении смеси SiH4+CH4 водородом. Однако, в этом случае
скорость осаждения аморфного материала очень низка, что затрудняет
формирование толстых активных приборных слоев.
Ранее нами было показано, что использование низкочастотного (55 кГц)
тлеющего разряда [I] позволяет формировать аморфные пленки a-Si:H, обладающие
высокими
оптоэлектронными
свойствами
благодаря
наличию
ионной
бомбардировки поверхности роста в этом методе. При этом скорость осаждения a-
Si:H (до 31 /c) была на порядок выше (1-1,2 /c) по сравнению со стандартным
методом осаждения на частоте 13,56 МГц. В данной работе представлены
результаты исследования формируемой микроструктуры и типов связей в пленках a-

SiC:H, впервые полученных осаждением в низкочастотном (55 кГц) тлеющем
разряде при различных режимах осаждения.
Осаждение пленок a-SiC:H проводилось в промышленном реакторе с
параллельным расположением графитовых электродов. Состав формируемых
пленок изменялся за счет варьирования содержания метана в газовой смеси RC от 0
до 100%. При этом использовались два режима работы генератора - непрерывный
(cw) и модулированный (SQWM). Температура подложки Ts изменялась в диапазоне
160-3200C.
Состав пленок определялся с помощью Резерфордовского обратного
рассеяния и ИК спектроскопии. Морфология поверхности сформированных слоев a-
SiC:H исследовалась с помощью атомной силовой микроскопии.
Для определения оптической ширины запрещенной зоны Eg использовались
спектральные зависимости коэффициента поглощения, полученные из измерений
коэффициента пропускания и по методу постоянного фототока. Измерение
температурной зависимости темновой и фотопроводимости проводилось в
температурном диапазоне 20-250 0С.
Сдвиг колебательной моды, соответствующей колебаниям растяжение-сжатие
Si-H связей, в область более высоких значений волновых чисел (от 2007 до 2074 см-
1) и незначительное поглощение в области длин волн 890 см-1 (изгиб Si-H2)
указывает на увеличение содержания атомов С в ближайшем окружении Si-H связей
с ростом RC. Одновременное увеличение интегральной интенсивности поглощения в
диапазоне 780-800 см-1 и интегральной интенсивности, связанной с модой качания
Si-CHn связей, свидетельствует о том, что наблюдается преимущественное
внедрение углерода в a-SiC:H в виде связей Si-CH3.
Установлено, что варьирование RC позволяет изменять Eg в диапазоне 1,65-
2,26 эВ. Наблюдаемая линейная зависимость между оптической шириной
запрещенной зоны и содержанием углерода в пленке хорошо согласуется с данными
[II]. Однако меньшее значение Eg при концентрации углерода в пленке XC≥25,4 %
свидетельствует о том, что в наших пленках наблюдается sp2 гибридизация,
характерная для графитоподобной микроструктуры. Сравнительный анализ
зависимостей оптической ширины запрещенной зоны и интенсивностей ИК пиков

поглощения от RC показал, что Eg увеличивается с увеличением концентрации Si-
CH3 связей. Для a-SiC:H пленок, осаждаемых в cw режиме при RC=40%, Eg
постепенно увеличивается с уменьшением Ts. Использование SQWM режима
приводит к уменьшению оптической ширины запрещенной зоны и ослабляет
зависимость Eg от температуры подложки. Согласно данным ИК спектроскопии
изменение Ts не влияет на концентрацию Si-CH3 связей. Таким образом, изменение
Eg от Ts не связано с изменением содержания углерода в пленке. С другой стороны
использование SQWM режима приводит к уменьшению интенсивности пика
поглощения, обусловленного Si-CH3 связями, и содержания углерода в пленке, что
объясняет уменьшение Eg. Принимая во внимание, что в сформированных нами
сплавах наблюдается sp2 гибридизация, характерная для графитоподобной
микроструктуры, можно предположить, что увеличение Eg с уменьшением
температуры подложки связано с уменьшением графитоподобной составляющей
микроструктуры пленок. Для всех исследованных образцов Eg практически не
зависит от интенсивности пика поглощения растяжения-сжатия Si-H связей.
Полученные результаты для темновой проводимости при комнатной
температуре хорошо согласуются с данными [III]. При Eg=2,26 эВ (XC=42.5%)
проводимость при комнатной температуре увеличивается. Для этих образцов
наблюдалась слабая температурная зависимость проводимости вблизи комнатной
температуры, что указывает на появление дополнительного высокопроводящего
канала для транспорта электронов. Это означает, что при XC=42.5% в пленках a-
SiC:H формируется графитоподобная структура с sp2-гибридизацией. Формирование
графитоподобной структуры при увеличении содержания углерода в пленке
объясняет резкое падение фотопроводимости с увеличением Eg. Совместный анализ
зависимостей d, ph и Ea от оптической ширины запрещенной зоны и результатов
ИК спектроскопии показал, что при постоянном RC=40% более высокая
фоточувствительность может быть получена для сплава a-SiC:H (Eg=1,9-2,0 эВ) за
счет контроля процесса формирования графитоподобной микроструктуры в пленках
уменьшением Тs и использованием SQWM режима.
Атомная силовая микроскопия пленок a-SiC:H показала, что они имеют
островковую структуру. При этом на островках большего размера расположены

островки меньшего размера. Для описания распределения диаметров островков
использовался закон логарифмического нормального распределения. Установлено,
что увеличение содержания C в пленке приводит к уменьшению среднего размера
островков Dav в a-SiC:H пленке от 140 нм для RC =0 до 47 нм для RC =100%. По
данным ИК спектроскопии уменьшение Dav сопровождается увеличением
концентрации C-Hn связей. Принимая во внимание островковый характер
микроструктуры a-SiC:H пленки, можно предположить, что на поверхности
островков происходит кластерирование атомов С в виде связей C-Hn. Увеличение
концентрации связей C-Hn на поверхности островков при высокой концентрации
углерода способствует релаксации жесткой сетки a-SiC:H за счет формирования
гибких связей, образуемых sp2 гибридизацией. Таким образом, кластерирование C-
Hn и Si-H связей на поверхности островков приводит к формированию
графитоподобной микроструктуры.
Работа выполнена при поддержке грантов Минобразования РФ 107-ГБ-53-Б-
МФХ, 922-ГБ-53-Г-МВ, 935-ГБ-53-Г-МВ.
1. B.G.Budaguan, et all. A.A.Sherchenkov, D.A.Stryahilev, A.Yu.Sazonov,
A.G.Radoselsky, V.D.Chernomordik, A.A.Popov, and J.W.Metselaar, J. Electrochem.
Soc. 145, 2508 (1998).
2. I.Solomon and L.R Tessler, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 336, p. 505 (1994).
3. G.Ambrosone S.Catalanotti, U.Coscia, S.Mormone, A.Cutolo, G.Breglio, Proc. 2nd
WCPSEC, Vienna , 1, p. 770 (1998).