Cristalización inducida por níquel de silicio amorfo

SCHMIDT, J. A.; RINALDI, P.; BUDINI, N.; ARCE, R. D.; BUITRAGO, R. H.

Santiago, Chile

Congreso; 8º Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales; 2008

Sociedad Chilena de Metalurgia y Materiales - Asociación Argentina de Materiales

El silicio policristalino (pc-Si) depositado sobre sustratos de vidrio es un material muy promisorio para la fabricación de distintos dispositivos electrónicos, como transistores de película delgada, matrices activas o celdas solares. La cristalización del silicio amorfo para obtener pc-Si puede lograrse por diferentes procesos, entre los cuales se destaca la cristalización inducida por níquel porque requiere bajas concentraciones del metal y bajas temperaturas de recocido. La nucleación y el crecimiento del silicio cristalino están mediados por la formación del siliciuro NiSi2, el cual tiene una constante de red muy similar a la del Si, y actúa como una semilla a partir de la cual se desarrollan los granos cristalinos. El tamaño de grano final del pc-Si depende de muchos factores, como la concentración inicial de Ni, la temperatura y tiempo de recocido, y la presencia de otros átomos en la estructura del Si. En este trabajo estudiamos la influencia de estos parámetros sobre el proceso de cristalización del silicio inducido por el Ni.                 Depositamos una serie de muestras de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) sobre sustratos de vidrio, utilizando para ello el método de deposición química desde la fase vapor asistida por plasma (PE-CVD) a partir de gas silano (SiH4). La temperatura de deposición fue de 200 ºC, y preparamos muestras intrínsecas (i), levemente dopadas con Boro (p), fuertemente dopadas con Boro (p+) y fuertemente dopadas con Fósforo (n+). Cada muestra fue dividida en ocho porciones, a cada una de las cuales se le depositó distintas concentraciones de Ni utilizando el método de pulverizado catódico (sputtering). La concentración de Ni se determinó por espectroscopia de absorción atómica, y estuvo comprendida entre 2×1015 y 2×1016 át/cm2. Posteriormente las muestras fueron sometidas a distintos tratamientos térmicos bajo atmósfera de nitrógeno circulante.                 A fin de evitar una deshidrogenación violenta del a-Si:H que dañe las muestras, los recocidos se realizaron en forma gradual. En una primera etapa las muestras se calentaron a una velocidad de 0.5 ºC/min hasta 400 ºC, manteniéndolas durante 24 hs a esta temperatura para lograr la efusión del hidrógeno. Luego se continuó con el calentamiento hasta distintas temperaturas y por distintos períodos de tiempo. Una vez lograda la cristalización, las muestra fueron caracterizadas óptica y estructuralmente. Mediante mediciones de reflectancia en el UV se determinó el grado de cristalinidad, comparando con los picos de reflectancia de obleas de silicio cristalino. También se realizaron mediciones de Rayos X, a través de las cuales se estimó el tamaño de grano y la orientación cristalina preferencial. Finalmente, las muestras fueron atacadas con una solución tipo “Secco” para definir los bordes de grano, y observadas con un microscopio metalográfico.                 Los mejores resultados para las muestras intrínsecas se obtuvieron para temperaturas de recocido de 550 ºC, tiempos de 12 hs y concentraciones de Ni de 3.2×1015 át/cm2. En estas condiciones se obtuvo un tamaño de grano de (25±3) µm, con gran uniformidad. Este tamaño de grano resultaría excelente para aplicaciones en dispositivos electrónicos. La elevada cristalinidad fue confirmada por las mediciones de reflectancia en el UV y de RX.                 Las muestras ligeramente dopadas con Boro se comportaron de manera similar, obteniéndose tamaños de grano de (26±3) µm para las mismas condiciones de recocido y concentraciones de Ni ligeramente mayores, de 5.8×1015 át/cm2. Esto confirma que niveles de Boro del orden de 1016 át/cm3, como los presentes en las muestras ligeramente dopadas, no alteran el proceso de cristalización. Sin embargo, cuando la concentración de Boro sube a 1019 át/cm3, como es el caso de las muestras p+, los tamaños de grano obtenidos se reducen a (12±2) µm para las mismas condiciones de cristalización de las muestras intrínsecas. Esto nos lleva a pensar que altos niveles de Boro pueden actuar como centros de nucleación, que se suman a los proporcionados por el NiSi2, a partir de los cuales se de el crecimiento de granos cristalinos.                   Finalmente, encontramos que en las muestras n+ la cristalización se ve fuertemente retardada. Fueron necesarios recocidos a 650 ºC durante 24 hs para lograr su cristalización, la cual se produjo en forma de granos de (7±1) µm. Estos granos sin embargo no cubren todo el volumen del material, sino que se encuentran rodeados de nanocristales provenientes de la cristalización térmica normal del silicio amorfo. De aquí concluimos que el Fósforo retarda notablemente la etapa de crecimiento de los granos, no así su nucleación.                 Los resultados obtenidos en las distintas muestras, y en especial en las tipo p, son muy promisorios para la preparación de celdas solares de silicio policristalino con estructura n+-p-p+ de bajo costo.