SAAFA-76-MRRRCH
Techniques d’élaboration de silicium hydrogéné
Silicium amorphe hydrogéné
Silicium amorphe La structure d’un semi-conducteur amorphe est caractérisée par la perte d’ordre à longue distance. Cependant, l’ordre à courte distance s’étendant aux premiers atomes voisins et, dans une moindre mesure, aux seconds est conservé. Cette propriété a été soulignée pour la première fois par Moss et Graczick [2] en étudiant la diffraction des rayons X, d’un échantillon de silicium amorphe comparé à celui du silicium cristallin. L’analyse de la fonction de distribution radiale F.D.R du silicium amorphe obtenue à partir des mesures de diffraction électronique, comparée à celle du silicium cristallin [3], représenté sur la figure I3, conduit aux constatations suivantes: Chapitre I : Généralités sur le silicium amorphe et nanocristallin 7 la présence d’un premier pic qui a la position que celui associé au cristal indiquant que· la distance inter atomique dans le a-Si, est pratiquement la même que celle dans c-Si. L’aire sous ce pic est également la même que sous le pic associé au cristal, c’est à dire qu’il y a le même nombre de premiers voisins (4 atomes) dans l’amorphe et dans le cristal. La présence d’un deuxième pic suggère que le nombre de seconds voisins est le même· que dans le cristal (12 atomes). Enfin, l’absence du troisième pic dans le cas du a-Si indique que l’ordre à longue· distance est perdu dans celui-ci. Seul persiste donc, l’ordre à courte distance. Ce dernier dépend du nombre des premiers voisins, de leur distance et des angles que font les liaisons entre elles. Dans la structure amorphe, le tétraèdre reste l’élément de base. Cependant, le second pic FDR est plus large dans le cas de l’amorphe ; ceci suggère une légère fluctuation de la Chapitre I : Généralités sur le silicium amorphe et nanocristallin 8 position (0.03 Å) due à une dispersion (δθ = 109°,28’) de l’angle de liaison, et une légère distorsion (δa/a peut aller jusqu’à 3%) de la longueur de liaison. La conséquence immédiate des fluctuations de ces angles de liaisons ainsi que celles observées pour les angles diédraux est de faire apparaître des particularités cristallographiques présentes dans le a-Si, telles que l’existence d’anneaux à nombre impair d’atome (5 ou 7) ou de liaisons pendantes ; contrairement au cristal qui n’est formé que d’anneaux comportant un nombre pair d’atomes. Le silicium amorphe présente des défauts, telles que les liaisons pendantes qui sont des liaisons Si qui ne sont pas satisfaites (voir figure I-4), et les hétérogénéités structurales à différentes échelles. Il est d’autre part évident que ces défauts et inhomogénéités dépendent très fortement, en nature, en proportion et en distribution de la technique de préparation et des conditions de dépôt. Plusieurs modèles topologiques ont été proposés pour décrire la structure atomique du silicium amorphe, le plus célèbre est celui du réseau continu aléatoire (RCA) [4], qui considère que chaque atome est toujours parfaitement coordonné sous forme tétraédrique avec ses proches voisins, mais tout en laissant libre la valeur de l’angle diédral. Chapitre I : Généralités sur le silicium amorphe et nanocristallin 9 Dans le cas des semi-conducteurs amorphes, il est impossible d’utiliser la théorie de Block car l’ordre à longue distance a disparu. Ceci, a incité plusieurs chercheurs à examiner les effets du désordre sur les propriétés électroniques des semi-conducteurs amorphes. Anderson et Mott [5,6] montrèrent que la distribution dans les angles et dans les distances des liaisons, entrainaient l’apparition de queues de bandes d’états localisés dont la répartition est exponentielle en énergie. D’autre part, la présence des liaisons pendantes, se traduit par l’apparition d’un nombre élevés d’états localisés dans la bande interdite du matériau (états profonds) [7] (figure I-5), qui devient une pseudo-bande interdite. De ce fait, le silicium amorphe devient un matériau peu intéressant du point de vue applications.
Rôle de l’hydrogène dans le silicium amorphe
L’apport important de l’hydrogène dans le silicium amorphe date de la fin des années soixante. En effet, Chittick et al. [8] ont démontré que l’incorporation de l’hydrogène dans le matériau par décomposition du gaz silane SiH4 dans une décharge luminescence (PECVD) conduit à une amélioration des propriétés optoélectroniques. Ces travaux furent complétés par Spear et LeComber [9], et indépendamment par Carlson et Wronski [10], qui démontrèrent que le silicium amorphe, préparé par la même technique de dépôt, contient une densité de défauts plus basse, ce qui permet son dopage en additionnant de la phosphine (PH3) ou du diborane (B2H6) au gaz silane. Le rôle de hydrogène ne fut compris que bien plus tard grâce à l’étude des spectres d’absorption infrarouge [11] et à l’étude de son évolution [12]. En effet, ces études démontrèrent que l’hydrogène incorporé dans le a-Si:H sature non seulement les liaisons Chapitre I : Généralités sur le silicium amorphe et nanocristallin 10 pendantes, ce qui entraine une diminution de la densité de défauts dans le milieu du gap, mais relaxe également les contraintes du réseau en réduisant le nombre de liaisons faibles (ou distordues) Si-Si. La cassure de ces liaisons entraine la formation des liaisons pendantes qui seront ensuite passivées par l’hydrogène. Cette cassure conduit à diminuer le désordre structural, et par suite les contraintes internes du matériau. Une concentration d’hydrogène de l’ordre de 10 % s’est avérée alors largement suffisante pour diminuer la densité de défauts de plusieurs ordres de grandeurs et la ramener d’environ 1021 cm -3 à 1015 -1016 cm -3 . Ceci a permis le dopage du matériau et lui a conféré ses propriétés semiconductrices. L’incorporation de l’hydrogène provoque également un élargissement du gap (Eg=1.8 eV), dû principalement à la substitution [13,14] des liaisons faibles Si-Si par des liaisons covalentes Si-H plus fortes pour lesquelles la séparation entre les états liants et antiliants est plus grande. La présence de l’hydrogène dans les couches n’a pas toujours un effet bénéfique sur ses propriétés optoélectroniques. En effet, il diffuse sous l’effet d’un éclairement intense et prolongé. Cette diffusion est, directement ou indirectement, responsable de la dégradation des propriétés électroniques, ce qui est connu sous le nom d’effet Staëbler-Wronski [15]. En plus de cet effet, les couches de silicium amorphe sont très absorbantes dans la gamme des hautes énergies (>2 eV) et leur conductivité est peu satisfaisante. Ceci a conduit beaucoup de groupes de recherches à s’orienter vers de nouveaux matériaux tels que le silicium micro ou nanocristallin.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur le silicium amorphe et nanocristallin
I-1Silicium monocristallin
I-2Silicium amorphe hydrogéné
I-2.1 Silicium amorphe
I-2.2 Rôle de l’hydrogène dans le silicium amorphe
I-2.3 Le silicium micro/nanocristallin hydrogéné (µ/nc-Si:H
Chapitre II : Techniques d’élaboration de silicium hydrogéné
II-1Méthodes générales de dépôt de silicium en couches minces
II-1.1 Dépôt par voies chimiques
II-2.2 Pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence
II-2.2.1 Historique
II-2.2.2 Principe de fonctionnement
II-2.2.3 Types de pulvérisation
II-2.2.4 Excitation radiofréquence
II-2.2.5 Effet de magnétron
II-2.3.1 Mécanisme de pulvérisation
II-2.3.2 Description du réacteur
II-2.3.3 Conditions de dépôt par le procédé de pulvérisation
Chapitre III : Techniques de caractérisation
III-1 Spectroscopie d’absorption infrarouge
III-1.1 Incorporation de l’hydrogène
III-1.2 Modes de vibration des liaisons Si-H
III-1.3 Traitement d’un spectre infrarouge
III-1.4 Contenu total d’hydrogène lié
III-2 Spectroscopie Raman
III-2.1 Principe de la technique
III-2.2 Application au silicium amorphe
III-2.3 Evaluation de la fraction cristalline déduite à partir du spectre Raman
III-3 Ellipsométrie spectroscopique
III-3.1 Principe
III-3.2 Ellipsomètre à modulation de phase
III-3.3 Théorie des milieux effectifs
III-3.3.1 Fonction diélectrique complexe de silicium amorphe et cristallin
III-3.3.2 Théorie des milieux effectifs
III-3.4 Modélisation des données ellipsométriques
III-3.5 Lois de dispersion
III-3.6 Algorithme de minimisation
III-4 Transmission optique
III-4.1 Principe de la méthode
III-4.2 Exploitation d’un spectre de transmission optique
III-4.2.1 Méthode de la transmission incohérente
III-4.2.2 Méthode de Swanpoel
III-5 Microscopie à force atomique
III-6 Mesures de diffraction des rayons X
III-6.1 Principe de fonctionnement
III-6.2 Loi de Bragg et formalisme de Scherrer
Table des matières
Chapitre IV : Résultats expérimentaux
IV.1 Conditions expérimentales
IV.2 Vitesse de dépôt
IV.3 Etude par spectroscopie infrarouge
IV.4 Etude par spectroscopie Raman
IV.5 Etude par ellipsométrie
IV.6 Transmission optique
IV.7 Discussion
IV.8 Diffraction des Rayons
IV.9 Microscope à force atomique
IV.10 Conclusion
Conclusion générale
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