Bảng 4.3: Thông số của các cặp mẫu đƣợc chế tạo trong cùng điều kiện và bề
dày. Trong đó mẫu T*
1 và T*2 đƣợc xem nhƣ không có lớp oxit Al ở mặt phân
giới. Mẫu T1, T2 có lớp oxit ở mặt phân giới.
Tên mẫu Bề dày lớp Al (nm) Bề dày lớp Si (nm)
T*1 và T1 70 235
T*2 và T2 140 470
T*3 và T3 350 671
Ảnh hƣởng của lớp oxit Al ở mặt phân giới Al/Si lên quá trình AIC, đƣợc chúng tôi khảo sát qua 3 cặp mẫu với tỷ lệ bề dày thay đổi nhƣ trong bảng 4.3.
Trong đó, lớp Al và lớp Si của các mẫu T*
1; T*2; T*3 đƣợc chế tạo lần lƣợt, liên
tiếp nhau trong buồng chân không với áp suất nền 4x10-6 torr. Còn ở các mẫu T1;
T2; T3, lớp Al đƣợc phơi ngoài không khí trong khoảng 5 phút để tạo lớp oxit tự
nhiên ở bề mặt trƣớc khi lắng đọng lớp Si tiếp theo. Nhƣ thế, có thể xem nhƣ các mẫu T*1; T*2; T*3 không có lớp oxit Al ở mặt phân giới của hai đơn lớp Al/Si.
Còn các mẫu T1; T2; T3 có lớp oxit Al ở mặt phân giới. Các cặp mẫu sau đó đƣợc
nung nhiệt trong chân không ở 500oC trong 5 giờ và tiếp theo là xử lý trong dung dịch axit trong 4 giờ.
71
Với bề dày Al và Si khá lớn, sau quá trình nung và xử lý axit, ảnh OTM của mẫu T3 (hình 4.7 b) cho thấy các ốc đảo Si còn bám lại trên đế (nên màu trắng đục), chứng tỏ với tỷ lệ bề dày khá lớn, quá trình khuếch tán của Si ở
500oC trong 5 giờ chỉ mới xảy ra ở giai đoạn hình thành các “ốc đảo” Si trên bề
mặt đế, chƣa thể liên kết thành màng silic đa tinh thể liên tục. Trong khi đó, với
quy trình xử lý tƣơng tự, ảnh OTM màng T*3 (hình 4.7 a) hiển thị ảnh nền của đế
thủy tinh và không có mặt của các ốc đảo Si, chứng tỏ Si chƣa chạm tới đế trong quá trình khuếch tán. Qua sự so sánh trên, có thể thấy rằng, với sự có mặt của lớp oxit Al ở mặt phân giới, quá trình khuếch tán sẽ xảy ra nhanh hơn so với mẫu không có lớp oxit Al ở mặt phân giới. Nhận định trên sẽ đƣợc làm sáng tỏ hơn với sự so sánh phổ nhiễu xạ của hai cặp mẫu còn lại.
Hình 4.8: Phổ nhiễu xạ của hai cặp mẫu: a) T*1 và T1; b) T*2 và T2
Phổ nhiễu xạ, hình 4.8 đã cho thấy rõ ràng, với các mẫu có lớp oxit Al ở mặt phân giới (T1, T2), sau quá trình nung nhiệt, đã có sự kết tinh lại của Si,
trong khi đó các mẫu đƣợc xem nhƣ không có lớp oxit ở mặt phân giới (T*
1 và
T*2) là vô định hình. Điều đó chứng tỏ, chỉ với thời gian 5 phút tiếp xúc ngoài
C ƣờ ng đ ộ (a .u) C ƣờ ng đ ộ (a .u)
72
không khí, lớp oxit ở mặt phân giới có ảnh hƣởng lớn đến quá trình khuếch tán, giúp tiến trình kết tinh của Si xảy ra nhanh hơn, nhƣ cơ chế đã đƣợc chúng tôi đƣa ra và lý giải trong phần 3.1 của chƣơng 3.
Ngoài ra, bề dày của lớp oxit Al ở mặt phân giới cũng là yếu tố có tác động đến quá trình AIC, yếu tố này đƣợc nghiên cứu với các mẫu trình bày trong bảng 4.4.
Bảng 4.4: Thông số của các cặp mẫu với thời gian phơi ngoài không khí để tạo lớp oxit của lớp Al ban đầu.
Lớp Al ban đầu để ngoài không khí
Tên mẫu
24 giờ T4 với lớp Al: 350 nm
Si: 671 nm T6 với lớp Al: 70 nm Si: 235 nm 5 phút T3 với lớp Al: 350 nm Si: 671 nm T5 với lớp Al: 70 nm Si: 235 nm Mẫu T3, sau quy trình xử lý nhiệt và axit nhƣ đã
đƣợc trình bày, kết quả ảnh OTM đƣợc thể hiện trong hình 4.7 b). Trong khi, mẫu T4 , với quy trình xử lý nhiệt và axit giống mẫu T3, kết quả ảnh OTM chỉ còn lại đế nền thủy tinh. Kết quả cho thấy, với bề dày lớp oxit nhôm ở mặt
phân giới tăng lên (mẫu T4), đƣợc định tính bằng cách phơi
lớp Al ban đầu ngoài không khí 24 giờ, quá trình khuếch tán của Si vào lớp Al xảy ra chậm hơn, Si chƣa chạm đế và do đó bị tẩy đi cùng với lớp Al trong quy trình xử lý axit. Điều đó chứng tỏ, bề dày lớp oxit nhôm cũng có tác động đến tiến trình khuếch tán của Si vào Al. Kết quả này cũng đƣợc minh chứng một lần nữa qua sự so sánh phổ nhiễu xạ của hai mẫu T5 và T6.
Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ của mẫu T5 và T6
73
So sánh về hình dáng và cƣờng độ đỉnh phổ nhiễu xạ hình 4.9 cho thấy sự khác nhau về mức độ kết tinh lại của hai mẫu với sự khác nhau về bề dày của lớp oxit nhôm ở mặt phân giới. Công bố của tác giả Oliver Nast cũng đã chứng minh sự khác nhau về kích thƣớc hạt tinh thể, của hai màng silic đa tinh thể thu đƣợc, theo sự thay đổi của thời gian tiếp xúc ngoài không khí của lớp Al ban đầu, là 3 phút và 48 giờ [37].
Nhƣ vậy, qua các thử nghiệm, so sánh thực nghiệm đã trình bày, có thể thấy đƣợc: lớp oxit nhôm ở mặt phân giới đóng vai trò thúc đẩy quá trình khuếch tán nhiệt của hai đơn lớp ban đầu, dẫn đến sự kết tinh nhanh của Si. Ngoài ra, bề dày của lớp nhôm oxit cũng ảnh hƣởng đến thời gian và mức độ kết tinh của Si trong quá trình AIC. Tuy nhiên, bề dày của lớp oxit nhôm, nếu đƣợc hình thành bằng cách tiếp xúc trực tiếp ngoài không khí, lại bị tác động bởi các yếu tố của môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm…Chính vì thế mà trong quy trình chế tạo mẫu, yếu tố môi trƣờng có khả năng ảnh hƣởng lên quá trình hình thành lớp oxit ở mặt phân giới Al và Si, do đó rất khó điều khiển độ lập lại của các kết quả đạt đƣợc.
4.3 Kết luận:
Trong chƣơng 4, với phần nghiên cứu về sự thay đổi tỷ lệ bề dày của hai đơn lớp Al và Si ban đầu, chúng tôi phát hiện ở tỷ lệ Al (105 nm) / Si (235 nm), màng thu đƣợc đã hạn chế đƣợc rất nhiều các mảng Si dƣ trên bề mặt, qua các phân tích về cấu trúc, cũng nhƣ hình thái học bề mặt đã cho thấy đƣợc tính chất của màng silic đa tinh thể với định hƣớng ƣu tiên ở họ mặt mạng (111), kích thƣớc hạt khoảng 20 nm, độ ghồ ghề bề mặt trung bình khoảng 3 nm. Từ đó, kết hợp với kết quả đo hiệu ứng Hall, đã cho thấy đƣợc tính chất của màng silic đa tinh thể, dẫn điện loại p, với nồng độ hạt tải cao và ổn định ở ngƣỡng 1018 cm-3,
độ linh động khoảng 48 cm2/Vs, điện trở suất khoảng 7x10-2
Ωcm, hứa hẹn khả năng ứng dụng tốt vào các thiết bị quang điện. Ngoài ra, khi đánh giá về độ lặp lại của kết quả, chúng tôi cũng đã cho thấy đƣợc ảnh hƣởng của lớp oxit nhôm ở
74
bề mặt của lớp nhôm ban đầu lên quá trình AIC. Nhƣ vậy, các nghiên cứu đã đƣa ra đƣợc tổng quát các ảnh hƣởng khác lên quá trình AIC. Tuy nhiên, thành công lớn theo đánh giá của chúng tôi, trong chƣơng 4 chính là việc chứng minh sự hình thành của màng silic đa tinh thể với các tính chất điện tốt có khả năng ứng dụng cao, trong phƣơng pháp AIC. Việc ứng dụng của phƣơng pháp AIC sẽ hiệu quả hơn khi đƣợc hỗ trợ bởi các công nghệ làm sạch và đánh bóng bề mặt silic nhƣ đã trình bày.
75
KẾT LUẬN
Dựa vào mục tiêu của hƣớng nghiên cứu đã đề ra và qua các thực nghiệm đã tiến hành, chúng tôi đã đạt đƣợc các kết quả nhƣ sau :
_ Áp dụng thành công phƣơng pháp AIC trong việc chế tạo màng silic đa tinh
thể dẫn điện loại p, với nồng độ hạt tải khá cao (1018 cm-3). Mô hình của phƣơng
pháp AIC cũng đƣợc lý giải dựa vào các cơ sở khoa học về nhiệt động học. _ Việc khảo sát ảnh hƣởng của quá trình nung nhiệt đã cho thấy khả năng kết
tinh vật liệu silic, ở nhiệt độ thấp (≤500oC), và trong thời gian ngắn, của phƣơng
pháp AIC.
_ Qua khảo sát sự ảnh hƣởng của tỷ lệ bề dày màng Al và Si, cũng nhƣ lớp oxit nhôm ở mặt phân giới lên sự hình thành màng silic đa tinh thể, đã bổ sung thêm các kết quả, để chứng minh khả năng kết tinh vật liệu silic của phƣơng pháp AIC, và đƣa ra đƣợc cái nhìn tổng quan về các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành màng.
76
HẠN CHẾ
Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn thƣờng đòi hỏi quy trình chế tạo nghiêm ngặt và độ chính xác cao (nhƣ hệ thống phòng sạch, hệ thống chân không cao…). Vì thế, để đạt đƣợc kết quả nghiên cứu tốt hơn, chúng tôi cần phải đƣợc nâng cấp hệ thống trang thiết bị, đặc biệt là hệ thống lò nung chân không cao, để tránh ảnh hƣởng các tạp chất, đặc biệt là oxy lên tính chất của màng thu đƣợc.
Với trang thiết bị hiện có của Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, thì khó có thể chế tạo màng trên diện tích lớn hơn 2 inch vuông với độ đồng đều cao. Do đó, vấn đề thử nghiệm trên diện tích rộng để thấy đƣợc khả năng ứng dụng công nghiệp của phƣơng pháp AIC vẫn là vấn đề chúng tôi chƣa đạt đƣợc.
Để ứng dụng màng silic đa tinh thể thu đƣợc trong việc chế tạo các thiết bị linh kiện quang điện tử bằng phƣơng pháp AIC đòi hỏi màng phải tẩy đƣợc hết các silic dƣ bằng sự hỗ trợ của các phƣơng pháp khác nhƣ CMP, RIE... Do đó, việc triển khai thử nghiệm khả năng ứng dụng của màng vẫn chƣa đƣợc tiến hành và cần đƣợc hỗ trợ thêm.
78
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Đào Thị Băng Tâm và đồng nghiệp (2011), Ảnh hưởng của lớp kim loại
nhôm lên sự kết tinh của màng silic vô định hình, Hội Nghị Vật Lý Chất Rắn
và Khoa Học Vật Liệu toàn quốc lần 7, ĐHQG. TPHCM.
[2] Hans-Gunther Wagemann, Tim Schonauer, Dƣơng Minh Trí (2009), Công
Nghệ Planar Silic, các quá trình cơ bản, vật lý và linh kiện, Nhà Xuất Bản Trẻ, Hội Vật Lý TP.HCM.
[3] Hoàng Văn Dũng và đồng nghiệp (2010), Khảo sát ảnh hưởng của độ dày và
nhiệt độ đế lên cấu trúc màng µc-Si:H, Hội Nghị Vật Lý Chất Rắn và Khoa
Học Vật Liệu toàn quốc lần 7, ĐHQG. TPHCM.
[4] Lê Công Dƣỡng (1997), Vật Liệu Học, Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ
Thuật, Hà Nội.
[5] Nguyễn Năng Định (2005), Vật Lý Và Kỹ Thuật Màng Mỏng, Nhà Xuất Bản
Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
[6] Nguyễn Hữu Kế và đồng nghiệp (2010), Chế tạo màng µc-Si:H bằng phương
pháp phún xạ Magnetron RF, Hội Nghị Quang Học Quang Phổ Toàn Quốc
lần thứ VI (12/2010), Hà Nội.
[7] Nguyễn Thị Huỳnh Nga (2009), Ảnh hưởng nồng độ khí hydro lên cấu trúc
màng Si:H chế tạo bằng phương pháp PECVD, Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP.HCM.
79
Tiếng Anh
[8] A. Tabata, et al. (2004), “Dependence on gas pressure of µc-Si:H prepared
by RF magnetron sputtering”, Vacuum, 74, pp. 561-565.
[9] Chang-Ho OH, et al. (1998), “A Novel Phase-Modulated Excimer-Laser Crystallization Method of Silicon Thin Films”, Jpn. Appl. Phys, 37(5A), pp. 492-495.
[10] C. M. Yang, Harry A. Atwater (1996), “Selective solid phase crystallization for control of grain size and location in Ge thin films on silicon dioxide”,
Applied Physics Letter, 68(24), pp. 3392-3394.
[11] Donald L.Smith (1997), Thin film Deposition, McGraw-Hill, Singapore.
[12] D. Grozdanic, et al. (2010), “Structural analysis of amourphous Si films
prepared by magnetron sputtering”, Vacuum,84, pp. 126-129.
[13] D. Van Gestel, et al. (2009), “Investigation of intragrain defects in pc-Si layers obtained by aluminum-induced crystallization: Comparison of layers
made by low and high temperature epitaxy”, Materials Science and
Engineering B, 159-160, pp. 134-137.
[14] E. Pihan, et al. (2004), “Polycrystalline silicon films by aluminium-induced crystallisation: growth process vs. silicon deposition method”, Thin Solid Films, 451-452, pp. 328-333.
[15] E.V. Johnson (2009), “Raman scattering analysis of Si:H bond stretching modes in hydrogenated microcrytalline silicon for use in thin - films photovoltaics”, Solar Energy Materials & Solar Cell,93, pp. 1904-1906.
[16] G.J. van Gurp (1973), “Diffusion-limited Si precipitation in evaporated
80
[17] G.J. van Gurp (1972), “Precipitation of Si in evaporated Ai/Si films”,
Scripta Metallurgica, 6, pp. 361-366.
[18] H. Makihara, et al. (2000), “Effect of the hydrogen partial pressure ratio on the properties of µc-Si:H films prepared by RF magnetron sputtering”,
Vacuum, 59, pp. 785-791.
[19] Hyeongnam Kim, et al. (2002), “Polycrystalline Si films formed by Al- induced crystallization (AIC) with and without Al oxides at Al/a-Si interface”,
Solar Energy Materials & Solar Cell, 74, pp. 323-329.
[20] Honglie Shen, et al. (2009), “Preparation of high quality polycrystalline silicon thin films by aluminum-induced crystallization”, Thin Solid Films, 517, pp. 5611-5615.
[21] In-Hyuk Song, et al. (2002), “A poly-Si thin film transistor frabricated by new excimer laser recrystallization employing floating active structure”,
Current Applied Physics, 2, pp. 225-228.
[22] I. Gordon, et al. (2008), “Fabrication and characterization of highly efficient thin-film polycrystalline-silicon solar cells based on aluminium-induced crystallization”, Thin Solid Films, 516, pp. 6984-6988.
[23] Jens Schneider, et al. (2005), “Depletion regions in the aluminum-induced
layer exchange process crystallizing amorphous Si”, Applied Physics Letters,
87, pp. 31905.
[24] J. Schneider, et al. (2006), “Aluminum-induced crystallization: Nucleation
and growth process”, Journal of Non-Crystalline Solids, 352, pp. 972-975.
[25]J. Schneider, et al. (2004), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon: preparation effect on growth kinetics”, Journal of Non-Crystalline Solids, 338-340, pp. 127-130.
81
[26] J. Klein, et al. (2004), “Aluminium-induced crystallisation of amorphous silicon: influence of the aluminium layer on the process”, Thin Solid Films, 451-452, pp. 481-484.
[27] Jen-Fin Lin, et al. (2010), “Formation of microcrystalline silicon films using rapid crystal aluminum induced crystallization under low-temperature rapid
thermal annealing”, Thin Solid Films, 518, pp. 6966-6971.
[28] J.Kondo, et al. (2002), “Dependence on substrate temperature of thin films
structure of µc-Si:H by Rf magnetron sputtering”, Vacuum, 66, pp. 409-413.
[29] Kazuo Nakajima, Noritaka Usami (2009), Crystal Growth of Si for Solar Cell, Springer.
[30] L. M. Koschier, et al. (1998), Proceedings of the 2nd World Conference on
Photovoltaic Energy Conversion, Vienne, Austria, pp. 1539.
[31] Mina Jung, et al. (2011), “In situ Observation of Polycrystalline Silicon Thin Film Grown Using Aluninum-Doped Zinc Oxide on Glass Substrate by
the Aluminum-induced Crystallization”, Japanese Journal of Applied Physics,
50 (04DP02), pp. 1-5.
[32] M. F. Cerqueira, et al. (1995), “Microcrystaline silicon thin films prepared
by RF reactive magnetron sputter deposition”, Vacuum,12, pp. 1385-1390.
[33] M. S. Haque et al.(1996), Journal Applied Physics, 79, pp. 7529.
[34] N.H. Cho, et al. (2006), “Nanostructural and optical features of hydrogenated nanocrystalline silicon films prepared by aluminium-induced crystallization”, Thin Solid Films, 503, pp. 55-59.
82
[35] N.H. Nickel, et al. (2000), “Raman spectroscopy of heavily doped polycrystalline silicon thin films”, Physical Review B, 61(23), pp. 15558- 15561.
[36] O. Saadane, et al. (2003), “Structural, optical, and electronic properties of hydrogenated polymorphous silicon films deposited from silane–hydrogen and silane–helium mixtures”, Journal of Applied Physics, 93(11), pp. 9371- 9379.
[37] Oliver Nast, Andreas J. Hartmann (2000), “Influence of interface and Al structure on layer exchange during aluminum-induced crystallization of
amorphous silicon”, Journal of Applied Physics, 88(2), pp. 716-724.
[38] Oliver Nast, et al. (1998), “Aluminum-induced crystallization of amorphous
silicon on glass substrates above and below the eutectic temperature”, Applied
Physics Letters, 73(22), pp. 3214-3216.
[39] Ozgenc Ebil, et al. (2010), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon films deposited by hot wire chemical vapor deposition on glass substrates”, Thin Solid Films, 519, pp. 178-183.
[40] Per I. Widenborg, Armin G. Aberle (2002), “Surface morphology of poly-Si
films made by aluminium-induced crystallisation on glass substrates”, Journal
of Crystal Growth, 242, pp. 270-282.
[41] P.I Widenborg, A. G. Aberle (2002), Proceeding of the 29th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans (USA), pp. 1206.
[42] R.B. Bergmann, et al. (1997), “Solid-phase crystallized Si films on glass substrates for thin film solar cells”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 46, pp. 147-155.
83
[43] R. C. Miller, A. Savage (1956), “Diffusion of Aluminum in Single Crystal
Silicon”, Journal of Applied Physics, 27(12), pp. 1430-1433.
[44] Ralf B. Bergmann, et al. (1998), “Formation of polycrystalline silicon with log-normal grain size distribution, Applied Surface Science, 123/124, pp. 376-380.
[45] Scotten W. Jones (2008), Diffusion in Silicon, IC Knowledge LLC.
[46] S. Gall, et al. (2002), Proceedings of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, New Orleans (USA), pp. 1202.
[47] S. Gall, et al. (2002), “Aluminum-induced crystallization of amorphous
silicon”, Journal of Non-crystalline Solids, 299-302, pp. 741-745.
[48] S. Gall, et al. (2009), “Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass”,
Solar Energy Materials & Solar Cells, 93, pp. 1004-1008.
[49] Thanh Nga Nguyen, Sungwook Jung (2009), “Advanced Solid-Phase Crytallization of Amorphous Silicon on a Glass Substrate”, Journal of the
Korean Physical Society, 54(6), pp. 2367-2372.
[50] T. Antesberger, et al. (2007), “Structural and electronic properties of ultrathin polycrystalline Si layers on glass prepared by aluminum-induced
layer exchange”, Applied Physics Letters, 91, pp. 201909-201911.
[51] U. Koster (1978), Physica Status Solidi A, 48, pp. 313
[52] Zeynep Çelik-Butler, et al. (2010), “Piezoresistive polysilicon film obtained
by low-temperature aluminum-induced crystallization”, Thin Solid Films, 519,