Caractérisation Optique Et Structurale Du Silicium Nanocristallin Déposé Par Pulvérisation Cathodique Radiofréquence À Effet Magnétron

Résumé: Le silicium nanocristallin hydrogéné a reçu une attention particulière durant les dix dernières années. Il a été utilisé dans de nombreux domaines, notamment dans les dispositifs optoélectroniques et dans les cellules solaires. L’étude détaillée des films minces de silicium nanocristallin hydrogéné, déposés par la pulvérisation cathodique radio-fréquence à effet magnétron (RFMS), nous a permis d’optimiser les meilleures conditions de dépôt de ce matériau à basses températures. Nous avons préparé des films minces de a-Si :H et de nc-SI :H à partir d’une cible de c-Si de grande pureté dans une atmosphère d’argon et d’hydrogène, et pour des conditions expérimentales bien choisies. Le but recherché étant de trouver des conditions de plasma idéales pour l’obtention d’une vitesse de dépôt élevée et d’améliorer les propriétés optiques et structurales du matériau. Pour cela deux points importants ont été abordés : premièrement, l’effet de la pression totale (2, 3, 4 Pa) et de la température du substrat (100, 150, 200°C) et deuxièmement, l’effet de la puissance RF (100 - 350W). Nous avons mis en œuvre plusieurs techniques de caractérisation complémentaires, essentiellement optiques, pour cette étude. L’exploitation des courbes Raman et le contrôle de la partie imaginaire de la pseudo-fonction diélectrique, en fonction de la pression et de la température nous a permis d’avoir des informations intéressantes sur l’évolution de la microstructure de nos films. En effet, quelle que soit la température les films déposés à 2 Pa présentent une structure complètement amorphe par contre ceux déposés à 3 et 4 Pa sont nanocristallins. C’est la pression totale qui joue le rôle le plus important sur la structure des films. Une pression seuil autour de 3 Pa a été mise clairement en évidence pour laquelle on assiste à une transition d’une phase amorphe vers une autre nanocristalline. L’effet de l’augmentation de température du substrat se limite sur la diminution de la fraction du vide dans les films, et par conséquent on passe d'une structure moins dense à une structure beaucoup plus compacte. En tenant compte de ces résultats, l’effet de la puissance RF à été examiné sur des échantillons déposés en fixant la pression et la température à 3 Pa et 100 °C respectivement. En effet, les résultats de spectroscopie infrarouge ont montré la transformation structurale du volume de nos couches de l'état amorphe vers une phase cristalline lorsque la puissance passe de 180 à 200 W. Les résultats qualitatifs obtenus par ellipsométrie ont confirmés ces observations. Ainsi, pour des puissances comprises entre 100 et 180 W la structure des couches est complètement amorphe, tandis que pour des puissances supérieures ou égales à 200 W les films contiennent une fraction importante de cristallites. Ces résultats suggèrent l'existence d'un seuil de puissance RF autour de 200 W, pour lequel la cristallisation se produit. La différence significative entre les valeurs du gap optique des films amorphes et ceux des nanocristallins, obtenues par les mesures de transmission a été justifiée par deux effets :  Un effet d'alliage explicite entre les atomes de silicium et d'hydrogène (les échantillons amorphes contiennent un faible taux d'hydrogène fortement lié que les échantillons nanocristallins).  Leurs microstructures différentes, tel que révélé par les spectres d'absorption IR et les résultats d'ellipsométrie. En effet, le gap optique est également influencé par les nanocristallites incorporées dans la matrice amorphe.

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