PECVD 기법에 의해 제조된 nc-Si:H 박막의 나노구조 및 물성

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 수소화된 나노결정 실리콘(hydrogenated nanocrystalline silicon) 박막의 나노구조 제어에 따른 광학적, 전기적 특성을 제어하는 기법을 개발하고자 하였다. 3세대 Si계 태양전지의 개발을 위해서는 Si 나노결정의 생성 및 물성과의 상관관계에 대한 이해와 다양한 공정변수의 변화에 따른 박막의 나노구조 및 물성변화에 대한 고찰이 필수적이다.
PECVD 기법을 이용하여 수소화된 나노결정 실리콘 (nc-Si:H) 박막을 증착하였다. 반응기 내부에 주입되는 SiH4 가스와 H2 가스의 비율과 기판온도에 따른 박막의 나노구조적, 화학적, 광학적, 전기적 특성을 분석하였다. 상온에서 가스 비율을 변화하여 제조된 박막의 결정은 비정질 모체 내부에 10 nm 이하의 크기로 분포하였다. 수소의 분율이 커짐에 따라 박막의 밴드갭은 1.76 에서 2.19 eV 까지 상승하며, 수소 분율이 일정량 이상이 되면 다시 줄어든다. 이는 결정의 크기가 커져서 양자제한효과의 영향이 감소하는 효과에 의한 것이라고 여겨진다. 박막의 전기적 특성을 분석하기 위해 PIN 접합으로 이루어진 소자를 제조하였다. 양 극단에 일정 전압을 인가함에 따라 8.1×104 으로부터 1.4×104 Ω의 저항 값을 가지는 전기적 특성을 나타내었다. 또한 빛이 조사됨에 따라 소자 내부에 생성되는 광기전력이 증가하는 특성을 보였다. 박막 내 Si-H 결합이 증가하고 Si-H2 결합의 비율이 줄어드는 결과로부터 나노결정이 생성되는 원리를 도출하였다. 결과적으로 수소가스 분율의 증가는 박막내 Si 나노결정 크기와 결정 분율을 증가시키는데 중요한 역할을 하였다.
기판의 온도를 변화시켜 수소화된 비정질 실리콘 박막내 나노구조의 변화를 조사하였다. 결정의 크기는 온도가 상온에서 400℃가 됨에 따라 3.5 에서 10.2 nm까지 증가하였다. 그러나 600℃로 온도가 올라감에 따라 다시 8.2 nm로 줄어들었다. 이 결과에서 결정화가 가장 잘 이루어지는 온도를 확인할 수 있었다. 기판 온도가 상승함에 따라 박막의 PL 피크는 단파장에서 장파장 영역으로 이동하였으며 각 피크에서의 밴드갭은 2.4에서 1.9 eV로 감소했다. 이는 결정의 크기가 커져서 양자제한효과의 영향이 감소하기 때문으로 생각된다. 박막 내부에 결합되어 있는 Si-Hx 결합의 양은 기판 온도가 증가함에　따라 점차 감소했다. 이는 온도가 올라감에 따라 결합된 수소들의 열 이탈이 일어난 결과라 여겨진다.

목차 (Table of Contents)

• 1.서론 1
• 2.연구배경 4
• 2.1 나노결정 실리콘의 양자제한효과 4
• 2.2 수소화 실리콘 박막내 결정 성장기구 8
• 2.2.1 표면확산 모델(surface diffusion model) 8
• 2.2.2 에칭 모델(etching model) 9
• 2.2.3 화학적 어닐링 모델(chemical annealing model) 9
• 3.실험 및 분석 방법 13
• 3.1 Nc-Si:H 박막의 제조 13
• 3.1.1 SiH4/H2 가스 희석비에 따른 nc-Si:H 박막의 제조 14
• 3.1.2 기판 온도에 따른 nc-Si:H 박막의 제조 14
• 3.2 PIN 다이오드의 제조 17
• 3.3 분석 방법 19
• 3.3.1 나노구조적 특성 19
• 3.3.2 광학적 특성 20
• 3.3.3 화학적 특성 20
• 3.3.4 전기적 특성 20
• 4. 결과 및 고찰 21
• 4.1 H2 가스 희석비에 따른 nc-Si:H 박막의 특성 21
• 4.1.1 나노구조적 특성 21
• 4.1.2 광학적 특성 30
• 4.1.3 화학적 특성 35
• 4.1.4 전기적 특성 39
• 4.2 기판 온도에 따른 nc-Si:H 박막의 특성 42
• 4.2.1 나노구조적 특성 42
• 4.2.2 광학적 특성 48
• 4.2.3 화학적 특성 50
• 5. 결론 54
• 참고문헌 56