Relations between the internal stresses and microstructure in the hydrogenated amorphous silicon

(a-Si:H) samples deposited under various pressures

RELATIONS ENTRE CONTRAINTES ET MICROSTRUCTURE

DANS LE a-Si :H DEPOSE A FAIBLE ET FORTE PRESSION

D. Benlakehal1, C. Goncalves2, Y. Bouizem1, J. D. Sib1*, A. Zeinert2, L. Chahed1, K. Zellama2

1Laboratoire de Physique des Couches Minces et Matériaux pour l’Electronique, Université d’Oran Es-sénia, Oran, Algérie

2Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Faculté des Sciences, 33 rue Saint-Leu, 80039, Amiens Cedex, France.

* Corresponding author. Email: Sibjamal@univ-oran.dz

Received : 07 May 2002; revised version accepted :03 February 2003

Abstract

A comparative study on the relations between the internal stresses, structure and the defects was carried out on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) samples deposited by PECVD technique, under various pressures (40, 1200, 1500 and 1800 mTorr). The sample deposited at 40 mTorr is made by pure silane, and the others by silane highly diluted in hydrogen (98% of H2 ). A combination of measurements (infra-red absorption, optical transmission, photothermal deflection spectroscopy -PDS-, constant photocurrent method CPM and internal stresses) was used to characterize the samples in the as-deposited state. The results show clearly that the samples deposited in the so-called "standard" conditions (low pressure, 40 mTorr) is characterized by a low deep defects density (ND = 0.92x1015 cm-3), a higher static refractive index value (n0 = 3.71, i.e higher compactness) and a compressive internal stresses (s= -0.12 GPa). The increase in the pressure and silane dilution is accompanied by an increase in the content of bonded hydrogen, which is mainly incorporated as monohydrid (Si-H and polyhydrid (Si-H2)n. The material becomes relaxed and shows a change in its internal stresses natures (s = + 0.24 to + 0.44 GPa). The samples deposited under higher pressure present an increase in the defect density in the gap and a diminution in their compactness. However the so-called "standard" sample is of better optoelectronic quality than the others samples despite its constrained state.

Keywords: Hydrogenated amorphous silicon; Optoelectronics proprieties; Pressure; Spectral photoconductivity; Photothermal deflection spectroscopy; Microvoids; Internal stresses.

Résumé

Une étude comparative sur les relations entre les contraintes internes, la structure et les défauts a été réalisée sur une série d’échantillons de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) déposés, par décomposition chimique en phase vapeur assistée par plasma radio-fréquence, à différentes pressions (40, 1200, 1500 et 1800 mTorr), en utilisant du silane pur pour la pression de 40 mTorr et du silane fortement dilué dans l’hydrogène (98% d’H2) pour les autres pressions. Une combinaison de mesures d’absorption infrarouge, de transmission optique, de spectroscopie de déflexion photothermique (PDS), de photoconductivité à photocourant constant (CPM) et de contraintes internes a été menée pour caractériser les échantillons à l’état brut de dépôt. Les résultats montrent clairement que les échantillons déposés à partir du silane pur dans les conditions optimisées dites " standard " à faible pression (40 mTorr) présentent la densité de défauts la plus faible (Nd = 0.92x1015cm-3) et la plus grande compacité (indice de réfraction statique n0 = 3.71). Les contraintes internes présentes dans ces couches sont de nature compressive (s = - 0.12 GPa). L’augmentation de la pression de dépôt et de la dilution du silane dans l’hydrogène s’accompagne par celle de la concentration totale d’hydrogène, lié sous forme de complexes monohydriques Si-H et polyhydriques Si-H2 et (Si-H2)n. Elle provoque également une relaxation du matériau et une modification de l’état des contraintes internes (s = + 0.24 à + 0.44 GPa). Il ressort de cette étude que les échantillons déposés à forte pression présentent une augmentation de la densité de défauts et une diminution de la compacité alors que les échantillons dits " standard " déposés à 40 mTorr sont de meilleure qualité électronique bien qu’ils soient dans un état plus contraints.

Mots clés : Silicium amorphe hydrogéné; Propriétés optoélectroniques; Pression; Photoconductivité spectrale; Spectroscopie de déflexion photothermique; Microcavités; contraintes internes.

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