Estructures multicapes basades en el silici amorf i els seus aliatges amb carboni

Abstract

Aquest treball presenta un estudi ampli sobre les estructures multicapa basades en semiconductors amorfs, en concret les formades per silici amorf hidrogenat i els aliatges d'aquest material amb carboni.<br/><br/>El treball compren des de la tecnologia de dipòsit d'aquests nous materials fins a la seva<br/>caracterització, tant estructural com optoelectrònica, i inclou alguna referencia a possibles aplicacions de les multicapes a dispositius.<br/><br/>En quant a la tecnologia de dipòsit, les multicapes han estat preparades a partir de dipòsit químic en fase vapor assistit per un plasma de radiofreqüència. En el treball es descriu amb detall el sistema de dipòsit, que presenta com a trets més característics la incorporació d'un sistema de portasubstrats giratori, que permet d'obtenir les estructures multicapa evitant els transitoris del plasma durant els canvis de fase gasosa, i el control automatitzat de tot el procés de dipòsit, que permet un bon control dels gruixos i la reproduibilitat d'aquests al llarg de l'estructura.<br/><br/>Com a pas previ a l'estudi optic i electric de les multicapes dipositades, es realitza un estudi detallat de les seves propietats estructurals amb diferents tècniques: espectroscopia de fotoelectrons induïts per raigs X, espectroscopia infraroja per transformada de Fourier, espectrometria de masses d'ions secundaris, microscopia electronica de transmissió i reflectometria de raigs X.<br/><br/>A partir de les tècniques de caracterització estructural i composicional, es mostra la bona qualitat de les multicapes: periodicitat ben controlada i interfícies composicionalment abruptes fins a nivells de l'ordre de l0 Angstrom. Es presenten, a més, resultats interessants sobre l'esquema d'incorporació de l'hidrogen en les multicapes, mostrant que no existeixen asimetries entre les interfícies, que l'estructura multicapa no afecta sensiblement a l'incorporació de l'hidrogen, i que els aliatges de carboni poden canviar Ileugerament la seva estructura quant formen part d'una estructura multicapa, reduint la seva porositat.<br/><br/>Les propietats optiques són estudiades mitjançant espectroscopia de transmissió optica i espectroscopia de deflexió fototèrmica, amb l'ajut d'algunes simulacions numeriques per interpretar els resultats.<br/><br/>Amb les dues tècniques pot observar-se com existeixen variacions del gap òptic importants en les multicapes quan es redueix el gruix de les capes elementals de silici amorf a valors inferiors als 20-30 Angstrom. Aquest comportament, que ha estat atribuït repetidament a la presència d'efectes qüantics de confinament en les multicapes, és discutit, arribant a la conclusió que també podria ser degut a altres efectes de tipus estructural sense considerar els efectes quantics. Altres resultats de caracteritzacions optiques permeten d'evidenciar l'increment en el desordre dels materials a mesura que es redueix el gruix de les capes elementals.<br/><br/>Finalment, a partir de la tècnica d'espectroscòpia de desviació fototèrmica s'arriba a acotar superiorment la densitat d'estats per interfície que presenten aquestes estructures multicapa, mostrant que aquesta és molt baixa, fet que indica la bona qualitat de les multicapes.<br/>Les propietats elèctriques en la direcció paral.lela de les estructures multicapa és estudiada mitjançant mesures de conductivitat i fotoconductivitat en funció de la temperatura. A partir dels resultats pot veure's com el silici amorf és el material dominant en la conducció.<br/><br/>L'estudi de les energies d'activació de la conductivitat en fosc en funció del gruix de les capes de silici mostra un comportament similar al gap òptic, cosa que indica un origen comú per als dos paràmetres, que pot trobar la seva explicació tant en els efectes quàntics de confinament com en els efectes d'aliatge en les interfícies.<br/><br/>Les variacions de fotoconductivitat observades permeten evidenciar la importancia deIs estats d'interfície per a la recombinació dels portadors fotogenerats.<br/><br/>L'acompliment de la regla de Meyer-Neldel per les multicapes amb composició promig constant, però amb geometries diferents, mostra la possibilitat de variar les propietats elèctriques dels materials en un rang considerable sense canvis importants en les òptiques.<br/><br/>Un altre dels resultats importants és la presencia de fotoconductivitat persistent en les multicapes, que consisteix en un estat de conductivitat entre un i dos ordres de magnitud superior a la inicial, i que pot mantenir-se durant hores, ocasionat per la il.luminació de la multicapa durant un temps breu (de l'ordre d'alguns segons).<br/><br/>Les propietats de transport elèctric de les estructures en la direcció perpendicular són estudiades mitjançant característiques intensitat-voltatge d'estructures doble barrera, formades per una capa d'alguns Angstrom de silici amorf situada entre dues capes també molt primes d'un aliatge amb carboni de gap elevat, i, tot el conjunt, en la zona intrínseca d'una estructura n-i-n. L'anàlisi dels resultats indica la presencia d'algunes anomalies en la característica intensitat-voltatge, que en la bibliografía han estat atribuides a fenòmens de conducción ressonant per efecte túnel, encara que aquestes podrien ser degudes també a altres motius, com el canvi de mecanisrne de conducció ocasionat pels elevats camps existents.<br/><br/>Finalment, es presenten els resultats de dos assajos d'ús de les multicapes per substituir capes de material homogeni en dispositius. S'utilitza una estructura multicapa com a fínestra per a una cèl.lula solar, i com a zona intrínseca d'un dispositiu fotodetector d'alt camp i guany òptic.

<i>The subject of this work is the study of amorphous silicon/amorphous silicon-carbon multi-layers from several viewpoints. First, the preparation process of these new materials by plasma-assisted chemical steam deposition and some technological aspects of this technique applied to amorphous semiconductor multi-layers are treated. The experimental setup used is a conventional mono-chamber system, but provided with an automated substrate holder which allow us to remove the substrates from plasma influence during gas exchange process.<br/><br/>The structure of multi-layers is characterized by a wide spectrum of techniques. The results show that the periodicity of the multi-layers is very good. The study of hydrogen content in these materials shows that no additional hydrogen at interfaces can be detected and that there is not any detectable asymmetry between both types of interface. The abruptness of interfaces is estimated to be about 10 Angstrom.<br/><br/>Optical and electrical properties of the multi-layers are studied by means of optical transmission spectroscopy, photo-thermal deflection spectroscopy, parallel dark and photo-conductivity and transverse conductivity through double barrier structures.<br/><br/>Some of the interesting effects that appear in these materials are put in evidence, as the blue shift of optical gap, the increase in activation energy in dark conductivity, the presence of persistent photoconductivity, and the presence of bumps in the intensity-voltage characteristics of double barrier structures. Several of these results can be interpreted as a consequence of quantum size effects, but other possible explanations in terms of the structural properties are proposed.<br/><br/>Finally, the possible application of these multi-layers to amorphous silicon solar cells and high field photo-detectors are considered. </i>