Síntesis y estudio del efecto del sustrato sobre las propiedades morfológicas de películas delgadas de Silicio intrínseco

Synthesis and study of the substrate effect on morphological properties of intrinsic silicon thin films

En este trabajo se presenta un estudio detallado de la morfología de películas delgadas de silicio microcristalino (mc-Si) intrínseco depositado sobre diferentes sustratos: vidrio Corning 7059, acero inoxidable, Si monocristalino con crecimiento en el plano (111). Las muestras de Si fueron preparadas por el método de deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD). La morfología fue estudiada a partir de medidas de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) realizadas a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se evidenció que las muestras de Si depositadas sobre acero inoxidable presentan regiones marcadas por fisuras presentes en el sustrato en comparación con las muestras depositadas sobre los otros sustratos. Se observó que un crecimiento en forma de ramal, influencia la nucleación de los granos cuando el Si se deposita sobre Si monocristalino. Se obtuvo un valor para el tamaño de grano menor a los 10 nm en todas las muestras y una rugosidad dependiente del sustrato que varió entre 400 y 750 nm.

INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años el desarrollo de dispositivos semiconductores y sistemas de aplicación fotovoltaica ha generado grandes expectativas a escala mundial por el uso de nuevos materiales semiconductores. [1] En este campo, el silicio como uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, ha sido el material utilizado por excelencia, el cual dependiendo de la disposición espacial de los átomos se puede clasificar como amorfo, micro o nanocristalino, o cristalino. En  su forma amorfa no se reconoce ningún orden a largo alcance en la ubicación de los átomos dentro del material. La disposición atómica en cualquier porción del material es distinta de cualquier otra dentro del mismo. En su estado cristalino los átomos están distribuidos en un conjunto tridimensional ordenado, de modo que cualquier sección del material se puede reproducir con facilidad con la misma disposición de átomos; mientras que en la forma micro o nanocristalina, constituye un caso intermedio del material, el cual es caracterizado por tener un orden de corto y medio rango. El enorme potencial tecnológico para cada una de estas formas en que se presenta este material, y   en particular para el caso  de  películas delgadas, ha suscitado gran interés por parte de diferentes grupos de investigación en la comprensión de sus propiedades.[2]

Recientemente películas delgadas µc-Si:H depositadas mediante la técnica de deposición química en fase de vapor asistida por plasma, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) [3], evidenciaron un crecimiento con estructura columnar fuertemente influenciado por la dilución silano (SiH4) - hidrógeno (H2) y la temperatura   de deposición. [4] El hidrógeno juega un papel importante en la pasivación de defectos en las fronteras de grano  del  µc-Si:H,  reduciendo  así la densidad de estados (DOS) presente en el material. Sin embargo, estudios detallados sobre   el crecimiento del µc-Si:H en sustratos, que potencialmente pueden ser usados para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos y celdas solares, son aún materia de discusión.

En este trabajo se presenta un estudio detallado del procedimiento empleado en  la  preparación  de las muestras de µc-Si:H, así como también del diseño y funcionamiento del reactor. Se realiza un análisis del efecto del sustrato sobre las propiedades de crecimiento de muestras de µc-Si:H intrínseco depositadas sobre vidrio común, vidrio corning 7059, acero inoxidable y silicio  monocristalino  en el plano (111).