Crystalline Volume Fraction Effect on the Electronic Properties of Hydrogenated Microcrystalline Silicon мc-Si:H Investigated by Ellipsometry and AMPS-1D Simulation

Abstract

The main objective of the present work is to study experimentally and by simulation, using the one dimensional analysis of microelectronic and photonic structures program (AMPS-1D), the correlation between the crystalline volume fraction (Fc) and the transport properties of hydrogenated microcrystalline silicon thin films (мc-Si:H). The Fc was determined by spectroscopic ellipsometry (SE) and the electrical conductivity measurements. The мc-Si:H samples were deposited by radio-frequency magnetron sputtering technique of a crystalline silicon target, under an argon (Ar) gas mixture of 70 % of hydrogen (H2) and 30 % of Ar, at three different total pressures (2, 3 and 4 Pa) and changing substrate temperatures (25, 100, 150 and 200 °C). The dark conductivity was measured in a coplanar configuration in an optical cryostat under applied electrical field and controlling current with an electrometer. In the simulation studies of the dark conductivity using the AMPS-1D, we modelled the films as an alternation of amorphous and crystalline regions with different crystalline volume fractions Fc (from 0 to 80 %). The results evidently demonstrated that the conductivity depends on the width of the area separating amorphous and crystalline regions. We found a strong correlation between the c-Si:H films activation energy and the crystalline volume fraction where the grain size-to-thickness ratio plays a crucial role.

Метою даної роботи є експериментальне і модельне дослідження кореляції між об'ємною фракцією кристалів і транспортними властивостями тонких плівок гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію, використовуючи одновимірний аналіз програми мікроелектронних і фотонних структур (AMPS 1D). Об'ємну фракцію кристалів визначали спектроскопічною еліпсометрією і вимірюваннями елект- ропровідності. Зразки гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію осаджували методом радіочастотного магнетронного розпилення кристалічної мішені кремнію у газовій суміші аргону і водню при трьох різних сумарних тисках (2, 3 і 4 Па) та змінюючи температуру підкладки (25, 100, 150 і 200 °С). Темна провідність вимірювалася в копланарній конфігурації в оптичному кріостаті при прикладанні електричного поля і керуючого струму. У дослідженнях темної провідності з використанням AMPS-1D ми моделювали плівки як чергування аморфних і кристалічних областей з різними кристалічними об'ємними фракціями (від 0 до 80 %). Результати показали, що провідність залежить від ширини ділянки, що розділяє аморфні та кристалічні області. Була виявлена сильна кореляція між енергією активації плівок гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію і об'ємною часткою кристалічних речовин, де співвідношення розміру зерна до його товщини грає вирішальну роль.