SiCl4／H2为气源低温沉积多晶硅薄膜光电特性的研究

合集下载

pecvd法低温沉积多晶硅薄膜的研究

pecvd法低温沉积多晶硅薄膜的研
究
PECVD法低温沉积多晶硅薄膜是一种全程低温(200-400℃)成膜的技术，它能够在低温情况下制备出比传统高温CVD要求的低温沉积多晶硅薄膜。

它采用一种叫做Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition（PECVD）的技术，通过将混合气体（如氢气、氦气、氯气等）加热到特定温度，然后放电产生等离子体，最后再把混合气体形成的气态化合物与壁面材料发生反应从而形成低温多晶硅膜。

该技术有利于提高薄膜的晶粒尺寸，在降低温度的同时保持优质的晶体结构，同时也可以提高多晶硅的抗拉强度。

另外，PECVD法还能够有效抑制热效应和衬底变形，因此在微电子制造中更加适用。

优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展陈城钊

收稿日期:2008-09-11*基金项目:韩山师范学院青年科研基金资助项目(0503)作者简介:陈城钊(1975)),男,广东潮州人,讲师,硕士.第2卷第4期材料研究与应用V o1.2,N o.42008年12月M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP PL ICAT IONDec .2008文章编号:1673-9981(2008)04-0450-05优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展*陈城钊1,邱胜桦1,刘翠青1,吴燕丹1,李平1,余楚迎2,林璇英1,2(1.韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州 521041; 2.汕头大学物理系,广东汕头 515063)摘要:纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.关键词:纳米晶硅薄膜;太阳能电池;低温制备;进展中图分类号:T M 914.4 文献标识码:A纳米晶硅(nc -Si z H )薄膜就是硅的纳米晶粒镶嵌在a -Si z H 网络里的一种硅纳米结构.由于它具有较高的电导率(10-3~10-18-1#cm -1)、宽带隙、高光敏性、高光吸收系数等优良的光电特性而引起学术界的重视.纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质,现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料[1].除用于制备薄膜太阳能电池外,在发光二极管、光存储器、隧穿二极管、薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电器件方面也有潜在应用[2].1 低温制备纳米晶硅薄膜的技术为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的纳米晶硅薄膜,近年来发展了低温(<450e )制膜技术.按成膜过程可分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为纳米晶硅;另一类是直接在玻璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[2].1.1 固相晶化法固相晶化(SPC)法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度.低造价太阳能电池的纳米晶薄膜,一般以廉价的玻璃作衬底,以硅烷气为原材料,用PECVD 法沉积a -Si B H 薄膜,然后再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜.这种方法的优点是能制备大面积的薄膜,可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于批量生产.常规的高温炉退火、金属诱导晶化、快速热退火、区域熔化再结晶等都属于固相晶化法.1.1.1 常规高温炉退火该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔内退火,使其由非晶态转变为纳米晶态[3].非晶硅晶化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的Gibbs 自由能.固相晶化过程主要由晶核的形成及晶核长大两步完成.形核率和生长速率都受温度的影响,所以纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大.晶硅薄膜的晶粒尺寸除受温度的影响外,与初始非晶硅膜的结构状况也有密切的关系.有研究者采用/部分掺杂法0来增大晶粒尺寸,即在基底上沉积两层膜,下层进行磷掺杂,作为成核层,上层不掺杂,作为晶体生长层,退火后可获得较大的晶粒[4].1.1.2 金属诱导晶化金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属膜或在镀有金属膜的基片上再镀一层非晶硅膜,使非晶硅与金属接触,这样可大大降低非晶硅的晶化温度(300e左右就能发生晶化),缩短晶化时间.可作诱导的金属有Al,Au,Ni,Pt,T i,Cr,Pd等,不同的金属诱导晶化效果略有不同.由于Al的含量丰富、价格便宜,因此铝诱导晶化备受青睐[5].对于产生低温晶化的原因,比较一致的解释是:在a-Si B H与Al的界面处,由于Al扩散到非晶硅中,形成了间隙原子,使Si)Si共价键转变为Si) Al金属键,极大地降低了激发能.界面处的这些硅化物加速了Al和Si原子的相互扩散,导致了Al) Si混合层的形成.由A-l Si相图可知,低温下(<300 e),硅在铝中的固溶度几乎可以忽略,因此铝中的超饱和硅以核的形式在a-Si B H和Al的界面析出.这些固体沉淀物逐渐长大,最后形成了晶体硅和铝的混合物.与传统的固相晶化技术相比,该技术能大大降低退火温度,缩短退火时间,制备出较大晶粒的纳米晶硅薄膜[6].然而,有研究发现利用该技术制备的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子,在很大程度上破坏了硅薄膜的电特性.这是一个不太容易解决的问题.1.1.3快速热退火快速热处理技术(RTP)是近年来发展很快的半导体工艺新技术.快速热退火属于快速热处理的范畴,是一种新的退火方式,它的热源是卤钨灯.与传统的退火炉相比,该方法有很多优点,除了用时短、耗热少、产量大、过程易控外,晶化后的纳米晶硅膜缺陷较少、内应力小.一些研究发现对非晶膜进行快速热退火时,温度的改变、时间的延长对晶粒尺寸的影响不大;但升温速率对晶粒尺寸的影响很大,升温速率较大时,硅晶粒较小,升温速率较小时,硅晶粒较大[7].1.1.4区域熔化再结晶区域熔化再结晶是将一束很窄的能量源在硅薄膜的表面移动使硅薄膜材料的不同区域依次熔化而结晶.比较成熟和用得较普遍的是激光加热,即激光晶化法.该晶化技术的特点是可以采用不同类型的激光在很短的时间内将非晶硅材料加热到很高的温度使其熔化然后结晶,由于熔化结晶的时间很短,因此衬底的温度不太高,从而能够使用廉价的玻璃作为衬底.准分子激光由于其脉冲时间极短(10~30 ns),且波长处于超紫外范围,因而是在玻璃衬底上制备硅薄膜材料理想的能量束.在硅薄膜上所照射的激光束频率、受光次数以及激光能量密度等都会影响非晶硅薄膜的结晶状况.另外,激光束的形状和扫描方向也会影响晶化过程中晶粒的生长方向[8-9].该技术的缺点是设备昂贵、工艺的重复性较差、难以实现大面积制备等.1.2直接沉积纳米晶硅薄膜采用固相晶化法制备纳米晶硅薄膜,由于需先沉积非晶硅薄膜,再转化为纳米晶硅薄膜,所需时间较长.如果沉积非晶硅薄膜和热处理不在同一系统中,则在转移非晶硅薄膜的过程中,容易造成薄膜的氧化,生成SiO2,或引入其它杂质,对薄膜的性能产生不良的影响.近几年来,许多科研工作者都在探索不经退火,直接在同一系统中制备纳米晶硅薄膜的新技术,这些技术包括:热丝化学气相沉积(H WCVD),高压rf-PECVD和采用新气源等.1.2.1热丝化学气相沉积法当硅烷或其它源气体通过装在衬底附近、温度高达2000e的钨丝时,源气体的分子键发生断裂,形成各种中性基团,在衬底上沉积成纳米晶硅薄膜.沉积时衬底的温度约175~400e,可用廉价的玻璃作衬底[10].用H WCV D法制备的纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸约0.3~ 1.0L m,具有柱状结构,择优取向于(110)晶面,可应用于光伏打器件.由于钨丝的温度很高,对部分设备的耐热要求较高.而且晶粒尺寸较小,不适宜大面积均匀薄膜的制备,所以应用范围受到较大限制.1.2.2高压高氢稀释硅烷PECVD法最近,我们用常规的13.56M H z的rf-PECVD 系统,采用较高的反应气压,匹配比较高的激励功率.以0.7nm/s制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜[11].薄膜的晶化率约60%,平均晶粒尺寸约6.0 nm,暗电导率为10-3~10-48-1#cm-1,薄膜的SEM图如图1所示.在本实验室的条件下,制备纳米晶硅薄膜时有以下结论:(1)射频功率太小薄膜中没有晶态成分.在其他条件不变的情况下,功率太大晶化率反而下降.在一定的射频功率范围内,薄膜中的晶态成分随功率增大而增加.(2)在一定的温度范围内,薄膜中的晶态成分随温度的升高而增加,晶粒随温度的升高而增大.(3)随着H2稀释度R H= H2/(SiH4+H2)的增加,薄膜晶化率变大,生长速率变小.结合Raman和FT IR谱,认为在高氢条件下,氢的作用在于通过刻蚀反应表面弱的Si-Si#451#第2卷第4期陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展键,形成牢固的Si-Si 键,从而调整nc -Si z H 薄膜的微观结构及其键合特征.(4)反应气压在一定程度上能提高薄膜的晶化率和沉积速率,但太高的压强所造成的反应离子对薄膜表面的轰击反而会降低晶化率和沉积速率.图1 纳米晶硅薄膜的表面形貌(a)三维原子力显微镜(AF M )图;(b)表面SEM 图1.2.3 采用新原材料的PECVD 技术有人把研究方向转向寻找适合PECV D 低温生长的新材料组合,试图采用PECVD 直接沉积纳米晶硅薄膜.目前,普遍采用卤硅化合物(如SiF 4或SiCl 4)来代替硅烷气体.还有用混合气体(SiCl 4/H 2)作为源气体,使直接沉积纳米晶硅薄膜的衬底最低温度下降到200e ,所获得的纳米晶硅薄膜具有择优取向[12-14].但SiCl 4气体有强烈的腐蚀性,在沉积过程中形成的H Cl 对仪器有较大的腐蚀性,对系统的防腐性要求高,提高了生产成本.2 纳米晶硅薄膜太阳能电池在太阳能利用方面,太阳光伏电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域.目前,虽然晶体硅太阳能电池仍处于主导地位,但它的高温扩散工艺限制了其生产效率的提高和产品成本的进一步降低,难以普及.1976年,非晶硅薄膜太阳能电池问世以来逐渐显示出其强大的生命力,但其稳定性和光电转换效率却比不上单晶硅,由于它具有亚稳态结构,长时间发光后会出现明显的不稳定性(称为S -W 效应).纳米晶硅薄膜太阳能电池基本上克服了S -W 效应,制备纳米晶硅薄膜时无须高温扩散,与现代半导体工业技术相匹配可以降低成本,从而激发了国内外对纳米硅薄膜的研究兴趣.Sukti H azra 等人首次用纳米硅薄膜作为太阳能电池的本征层,做成了本征型纳米硅p --i n 单结太阳电池[15].电池结构为glass/T CO/a -Si z H /nc -Si z H /Back co ntact/Al(图2).实验结果表明,所制作的太阳能电池在长时间光照条件下具有优良的稳定性,而且开路电压也比较高,达到了0.93V.胡志华等人运用美国宾州大学开发的AM PS 程序模拟分析并计算了n 型纳米硅(n +-nc -Si z H )/p 型晶体硅(p -c -Si)异质结太阳能电池的光伏特性[16].此结构电池是用纳米硅薄膜作为太阳电池窗口层的.运用AM PS 程序计算出这种电池在理想情况下的理论极限效率G max =31.17%.这个高效率主要由于宽带隙窗口层的引入,引入宽带隙窗口层提高了光子的吸收效率,从而提高了电池的开路电压和填充因子.中国科学院研究生院物理科学学院张群芳等人采用H WCVD,系统地研究了纳米晶硅层的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对nc -Si z H /c -Si 异质结太阳能电池性能的影响,通过优化工艺参数,在p 型晶体硅衬底上制备出转换效率为17.27%的n -nc -Si B H /-i nc -Si B H /p -c -Si 异质结电池[17].#452#材料研究与应用2008图2纳米晶硅/非晶硅薄膜叠层电池结构及其光谱响应谱线另外,胡志华等人还制备出了纳米非晶硅太阳能电池,此电池是g lass/ITO/p-a-SiC:H/-i na-Si z H/n-nc-Si z H/A l结构的p--i n太阳能电池[18],同样也是利用纳米晶硅薄膜的高电导性和高光敏性,电池的开路电压高达0.94V,同时还能保证72%以上的填充因子,光电转换效率达到8.35%.开路电压和填充因子都高于Sukti H azra等人的报道.中国科学院半导体研究所的郝会颖用这种含有少量纳米晶相的相变域硅薄膜作为本征层制备了太阳能电池[19].其结构为glass/SnO2/p-a-SiC:H/-i a-Si z H/ n-a-Si z H/A l.初始时电池的开路电压V oc=0.912 V,填充因子F F=0.690,短路电流密度J sc=15.894 mA/cm2,光电转换效率为10.008%.在AM 1.5 (100mW/cm2)的光强下曝光820min后,开路电压升高了5.2%,而光电转换效率仅衰减了2.9%,显示出优良的光电性质和稳定性.3结语固相晶化需要高温退火过程,激光晶化和热丝化学气相沉积等方法不适合大面积均匀成膜,这些方法均不适用于大规模工业化生产.射频等离子体化学气相沉积因其在制备大面积、高均匀度的薄膜方面具有工艺简单、成熟及成本低廉的优势,已成为重要的半导体薄膜沉积技术,目前已有完整的沉积非晶硅薄膜的工业化生产线.低温条件下在同一系统中直接在衬底上高速沉积光电性能优良的纳米晶硅薄膜是一种产业化前景较好的方法.目前,纳米硅太阳能电池的转换效率还不到10%,应通过优化设计纳米硅太阳能电池的结构,精确控制工艺参数,使其转换效率接近理论极限.如何提高纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率、大幅度降低生产成本,使其进入民用,是研究热点之一.参考文献:[1]ECO FF EY S,BO U V ET D,IO N ESCU A,et al.Lo w-pressur e chemical v apo ur depo sitio n of nano g r ain poly-silico n ult ra-thin films[J].Nanotechno lo gy,2002,13: 290-293.[2]黄创君,林璇英,林揆训,等.低温制备高质量多晶硅薄膜技术及其应用[J].功能材料,2001,32(6):561-563. [3]陈城钊,方健文,林璇英.a-Si z H薄膜固相晶化法制备多晶硅薄膜[J].浙江师范大学学报:自然科学版,2002, 25(3):246-249.[4]陈城钊,林璇英,林揆训,等.氢等离子体加热法晶化a-Siz H薄膜[J]功能材料,2004,35:662-664.[5]K IM H,K IM D,L EE G,et al.Po ly cr ystalline Si filmsfor med by A-l induced cr ystallizatio n w ith and wit ho ut Slo xides at A l/a-Si int er face[J].Solar Energ y M eter ial &So lar Cells,2002,74:323-329.[6]刘传珍,杨柏梁,袁剑峰,等.金属诱导法低温多晶硅薄膜的制备与研究[J].半导体学报,2001,22(1):61-65. [7]薛清,郁伟中,黄远明.利用快速退火从非晶硅薄膜中生长纳米硅晶粒[J].物理实验,2002,22(8):17-20.[8]邱法斌,骆文生,张玉,等.准分子激光烧结玻璃衬底上多晶硅薄膜材料的制备[J].液晶与显示,2001,16(3): 170-175.[9]廖燕平,黄金英,郜峰利,等.激光晶化多晶硅的制备与XRD谱[J].吉林大学学报,2004,42(1):99-102.[10]刘丰珍,朱美芳,冯勇,等.等离子体-热丝CV D技术制备多晶硅薄膜[J].半导体学报,2003,5:499-503. [11]陈城钊,邱胜桦,刘翠青,等.射频P ECV D法高压快速#453#第2卷第4期陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展制备纳米晶硅薄膜[J].功能材料,2008,39:848.[12]H U A N G R,L IN X Y,L IN K X,et al.I nv estigationo n initial g ro wth of nanocr ystalline silicon films pre -pared fr om hy dr og en -diluted SiCl 4at lo w tem per at ur e [J].J P hys D A ppl Phys.2006,39:4423-4428.[13]H U A N G R,L IN X Y ,H U A NG W Y,et al.Effect o fhy dr og en on the low -temperature g ro wth of po ly cr ys -talline silicon film deposited by SiCl 4/H 2[J].T hin So -l id F ilms.2006,513:380-384.[14]SU K T I H,SW AT I R.Photo vo ltaic applicat ion o fnanomo rph silicon thin films pr epar ed by plasma en -hanced chemical v apo r deposit ion [J].Jpn J Appl Phys,1999,38:L 495-497.[15]SU K T I H ,SWA T I R.N ano cry stalline silicon as in -tr insic layer in thin film solar cells [J ].Solid St at e Communicatio n,1999,109:125.[16]胡志华,廖显伯,曾湘波,等.纳米硅(nc -Si z H)/晶体硅(c -Si)异质结太阳电池的数值模拟分析[J].物理学报,2003,52(1):217-224.[17]张群芳,朱美芳,刘丰珍,等.高效率n -nc -Si z H/p -c -Si 异质结太阳能电池[J ].半导体学报,2007,28(1):96.[18]胡志华,廖显伯,夏朝凤,等.氢化纳米非晶硅(na -Siz H)p --i n 太阳电池[J].云南师范大学学报,2003,23(3):23-26.[19]郝会颖,孔光临,曾湘波,等.非晶/微晶相变域硅薄膜及其太阳能电池[J].物理学报,2005,54(7):3327.Research progress in preparation techniques of high quality nanocrystalline silicon thin film at low temperature and its application to thin film solar cellsCH EN Cheng -zhao 1,Q IU Sheng -hua 1,L IU Cu-i qing 1,WU Yan -dan 1,L I P ing 1,Y U Chu -y ing 2,L in Xuan -ying 1,2(1.Dep t.of P hy s ics and Eng ineer ing ,H anshan N or mal Univer sity ,Chaoz hou 521041,China;2.D ep t.of Phy sics ,Shantou Univer sity ,S hantou 515063,China)Abstract:Nanocr ystalline silico n film is a new functional m aterial,w hich has both the advantages o f c -Si and a -Si z H film s and w idely applied in optoelectr onic dev ices such as thin film solar cells,optical memo -r ies,lig ht emitting diodes and thin film tr ansistors.In this paper,the r ecent resear ch pro gress of the prep -aration techniques of the high quality nanocry stlline film at low tem perature and its application to solar cell is summarized.Key words:nanocrystalline silicon thin films;solar cells;low -temperatur e prepar ation;prog ress#454#材料研究与应用2008。

SiC半导体在薄膜物理制备中的研究

SiC半导体在薄膜物理制备中的研究SiC半导体材料具有优异的物理、化学性质和广泛的应用前景，在光电子器件、功率电子器件、传感器等领域具有重要的应用价值。

然而，由于其特殊的结晶属性以及物理和化学性质的特点，SiC薄膜在制备过程中存在一些难题和挑战。

因此，研究SiC薄膜制备的物理过程对于大规模应用具有重要意义。

在SiC薄膜的制备中，主要使用的方法有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）等。

这些方法的选择主要取决于所需薄膜的特点和应用。

PVD方法通过蒸发源加热、高能量粒子轰击等方式，使源材料在真空中蒸发，然后沉积在靶材上。

这种方法具有高温加热、大能量粒子轰击等特点，可控性好，但制备速度较慢。

CVD方法通过在载气中引入气相中的原材料，并在高温下进行化学反应，形成SiC薄膜。

该方法具有制备速度快、适用范围广等优点，是SiC薄膜制备的主要方法。

MBE方法是一种靠分子束在真空中生长晶体的技术，该方法能够在低温下实现薄膜的生长，具有生长速度快、控制性好等优势。

在薄膜物理制备中，研究重点包括SiC薄膜生长机理、晶体结构以及薄膜的物理性质等方面。

首先，研究者需要探索不同方法下SiC薄膜的生长机理和生长过程中可能存在的问题。

例如，CVD方法生长SiC薄膜时，粒子尺寸、载气流速、沉积温度等因素都会影响薄膜的结晶度和质量。

其次，研究者需要研究SiC薄膜的晶体结构和晶格匹配度，以寻找适合不同应用场景的薄膜生长条件。

最后，研究者还需要研究薄膜的物理性质，如光学、电学、磁学等性能，以验证薄膜在实际应用中的可行性。

除此之外，研究SiC薄膜物理制备还面临一些挑战。

首先，SiC材料的高结晶度要求制备工艺更加复杂和严格。

其次，薄膜生长过程中可能会出现SiC薄膜表面的缺陷，如溅射、聚集和晶界等，这些缺陷会对薄膜的性能和应用产生负面影响。

最后，目前SiC薄膜的制备技术在生长速率、晶体质量和尺寸控制等方面仍然存在一些限制，需要进一步改进和优化。

多晶硅薄膜材料的热导特性分析与优化策略研究

多晶硅薄膜材料的热导特性分析与优化策略研究多晶硅薄膜材料在光伏领域具有广泛的应用前景，然而其热导特性对其性能和稳定性有着重要影响。

因此，对多晶硅薄膜材料的热导特性进行深入分析和优化研究具有重要意义。

本文将从多晶硅薄膜材料的热导机制入手，探讨其影响因素，分析其热导特性，并提出相应的优化策略。

一、多晶硅薄膜材料的热导机制多晶硅薄膜材料的热导机制主要包括晶格热导和界面热导两部分。

晶格热导是指晶格振动传递热量的过程，而界面热导是指晶界和晶粒之间传递热量的过程。

多晶硅薄膜材料的热导机制对其热导特性有着重要影响，因此需要深入研究。

二、多晶硅薄膜材料热导特性的影响因素多晶硅薄膜材料的热导特性受多种因素影响，包括晶粒大小、晶界密度、晶格缺陷等。

晶粒大小对热导特性有着重要影响，晶界密度和晶格缺陷也会影响热导性能。

因此，需要对这些影响因素进行深入分析。

三、多晶硅薄膜材料热导特性的分析方法多晶硅薄膜材料的热导特性可以通过实验方法和理论模拟方法进行分析。

实验方法包括热导率测试和热导率显微镜观察等，理论模拟方法包括分子动力学模拟和有限元分析等。

通过这些方法可以深入分析多晶硅薄膜材料的热导特性。

四、多晶硅薄膜材料热导特性的优化策略针对多晶硅薄膜材料的热导特性，可以采取一系列优化策略，包括晶粒控制、晶界工程、缺陷修复等。

通过这些优化策略可以提高多晶硅薄膜材料的热导性能，从而提高其在光伏领域的应用性能。

五、结论多晶硅薄膜材料的热导特性对其性能和稳定性有着重要影响，因此需要深入研究和优化。

本文从热导机制、影响因素、分析方法和优化策略等方面对多晶硅薄膜材料的热导特性进行了系统分析和探讨，为进一步提高多晶硅薄膜材料的性能和应用提供了重要参考。

六、展望未来，可以进一步深入研究多晶硅薄膜材料的热导特性，探索新的优化策略，提高其在光伏领域的应用性能。

同时，可以结合其他材料和技术，进一步提高多晶硅薄膜材料的性能和稳定性，推动其在光伏领域的广泛应用。

低压化学气相淀积多晶硅薄膜工艺研究

２讨论
２．１影响多晶硅薄膜质量的因素热壁ＬＰＣＶＤ多晶硅薄膜表面质量的好坏与器
件关系较大。要克服多晶硅表面的“雾状 ”，关键是严格掌握操作规程，硅片进炉之前，反应系统内的残
·３４ ·
《新技术新工艺》·涂层技术性能研究２００６年第１１期
增加趋势逐步放缓，并最终保持稳定。选择合适的淀
积压强是获得晶粒细、表面光亮、均匀的多晶硅薄膜
的关键。若淀积压强在８Ｏ～１３３Ｐａ，则制备的多晶硅
薄膜的晶粒要粗一些，这样容易产生针孔。严格选择最佳工艺条件，才能制备高质量的多晶硅薄膜。
当温度远低于６００℃时，淀积速率变得太慢，以致不能应用。多晶硅淀积常常调节温度分布，使炉子尾部区域温度比前部及中心区域高出５～１５℃ 。较高的温度增加了淀积速率，补偿了ＳｉＨ的消耗。
Ｉ．ＰＣＶＤ系统的压强可以通过３种方式加以调节：１）改变输入气体的流量，维持泵速不变；２）改变泵速，保持输入气体流量不变；３）当输入气体为Ｓｉｌ与的７昆合物时，改变Ｎ的流量，维持Ｓｉｌ流量不变；或者Ｓｉｌ和Ｎ的流量均改变但保持两者的比例不变。以上３种方法，无论采用哪种，都比较恒定，均可以控制反应系统的压强。如果总的流量改变（比例和泵速恒定），那么淀积速率是压强的线性函数。但是，如果泵速和Ｎ：流量变化，那么淀积速率仅与压强呈较弱的关系（见图２）。当进入的气体流量保持恒定，压强由泵速来控制，淀积的重复性最好。

多晶硅薄膜的制备方法

多晶硅薄膜的制备方法随着科技的不断发展，人们对于材料的要求也越来越高，多晶硅薄膜作为一种新材料，具有独特的性能，在太阳能电池、光电器件等领域得到广泛应用。

那么，多晶硅薄膜的制备方法有哪些呢？一、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用高纯度硅源在氢气氛围下制备多晶硅薄膜的方法。

该方法具有操作简单、精度高、制备多晶硅晶体的可能性大等特点。

在实验中，将硅源加热至高温，与氢气反应生成SiH4，再通过热解过程，在硅基材料表面不断沉积多晶硅薄膜。

二、低压化学气相沉积法低压化学气相沉积法使用和化学气相沉积法相似的制备方式，不过采用的是低压下进行反应。

通过精确控制反应物的流速和压力，可以获得高质量的多晶硅薄膜。

该方法可以利用氢气还原或者氮化物来降低多晶硅薄膜中氧、碳等杂质的含量。

三、放电等离子体增强化学气相沉积法放电等离子体增强化学气相沉积法，顾名思义，就是在化学气相沉积法的基础上加入放电气体等离子体，通过这种方法可以在普通化学反应无法实现的低温下制备多晶硅薄膜。

该方法所需设备复杂，但是可以得到薄膜品质优良、生长速度快、成本较低等优点。

四、分子束外延法分子束外延法利用了分子束加热的方式，将硅源蒸发成分子束，在金属基板上生长多晶硅。

这种方法可以得到优质的多晶硅薄膜，但是成本较高，设备要求较高，不适用于大规模制备。

五、射频磁控溅射法射频磁控溅射法是在真空环境下，通过将多晶硅目标制备成薄膜，然后利用高能量的离子轰击目标，使目标上的原子受到冲击后脱落并沉积在基板上形成多晶硅。

该方法可以得到膜层均匀、晶体品质好的多晶硅薄膜。

综上所述，多晶硅薄膜的制备方法非常多样化，根据不同的需求可以选择不同的制备方式，以达到最佳效果。

SiCl4／H2为气源低温沉积多晶硅薄膜低温电学特性的研究

１．Ｐ的低温真空室中，蔽光和电磁作用都比较３３ａ屏
好，品电极采用银胶共面平行电极，样电极间狭缝尺寸为ｌｍｍ×１ｍｍ，用伏安法测量电阻。实验采用的０利
有较好的电学特性，用于太阳能电池的有源层，被并且在现代集成电路中起着重要的作用，如作为双极晶体
晶硅薄膜是由许多晶粒组成，晶粒之间的晶粒间界各是一层很薄的无序区，晶粒间界存在杂质分凝和载在流子陷阱两种作用机制。２Ｏ世纪７Ｏ年代Ｙ．ｅｏ１ＳｔＬ和］
Ｇ．ａｅｒｎ［等人提出并完善了晶粒间界载流子陷Ｂｅａａｉ２
人考虑了晶粒间界杂质分凝、流子陷阱和载流子反载射效应，并结合载流子的热发射和隧穿效应，释了多解
文章编号：Ｏｌ９３（０７０－８６０ｌ０一７ｌ２０）６０７ —３
１引言
多晶硅薄膜具有与ａＳ：薄膜相似的对可见光 —ｉＨ高吸收系数特性，同时又具有较高的载流子迁移率和
光照稳定性等优点。以ＳＣＨ。为源气体，采用成ｉＩ／可熟的ＰＣＥＶＤ技术，于实现低温、面积、成本的易大低要求。最近的研究结果表明，化未掺杂的多晶硅，优具
如下：源气体是ＳＣＨ。反应室气压为８Ｐ，ｉＩ／，０ａ玻璃衬底温度为３０，体总流量保持４ｍｌｍｉ，ｉＩ／０℃ 气８／ｎＳＣＨ。为８０４，过改变射频功率获得不同结晶度的．／０通

多晶硅纳米薄膜电学特性的实验研究

关键词：多晶硅纳米薄膜；电学特性；掺杂浓度；膜厚
中图分类号：０３７８文献标识码：Ａ文章编号：１０－９８（０８０ — ０５３００７７２０）８０４－０
ＥｘｅｉｅｔｓｕｄｎｅｅｔｉａｏｅｔｅｆｐｒｍｎｔｙＯｌｃｒｃｌｐｒｐｒｉｓｏ
刘晓为，李金锋揣荣岩，，施长治，陆学斌吴娅静，
（．尔滨工业大学ＭＭＳ中心，龙江哈尔滨１００；１哈Ｅ黑５０１２沈阳工业大学信息科学与工程学院。宁沈阳１０２）．辽１０３
Ｓｅｙｎ１０３。ｉａ）ｈｎａｇ１０２Ｃｈｎ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｅｐｌｓｌｏａｏｆｍｓｗｉｈｃｎｓｅｒｍ０￣２０ｎａｅｄｐｓｔｄｂＰＶＤｔｎｅｔａｅｈｏｙｉｃｎｎｎ — ｌｔｔｉｋｅｓｓｆｉｉｈｏ６５ｍｒｅｏｉｙＬＣｏｉｖｓｉｔｅｇｔｅｉｆｅｃｆｈｃｎｓｎｏｉｇｃｎｅｔｔｎｏｈｌｃｒａｒｐｒｅｆｏｙｉｅｎｎｎ — ｌ．ｏｉｅｈｎｌｎｅｏｉｋｅｓａｄｄｐｎｏｃｎｒｉｎｔｅｅｅｔｃｌｏｅｔｓｏｌｓｌｏａｏｆｍｓＣｍｂｎｄｕｔａｏｉｐｉｐｉｉｗｔｈＥｐｃｕｅｆｈｌ，ｅｉｆｅｃｓａａｚｄｔｅｒｔａｌａｅｎｔｅｔｓｅｅｕｔｆｒｓｓｉｉｉｔｅＳＭｉｔｒｓｏｅｆｍｓｔｎｌｎｅｉｎｌｅｈｏｅｉｌｙｂｓｄｏｈｅｔｄｒｓｌｏｉｔｔｈｔｉｈｕｙｃｓｅｖｙａｄｔｍｐｒｔｒｏｆｃｅｔｏｅｉｔｉ．ｈｅｕｔｎｉａｅｔａｈｅｖｏｅｏｙｉｃｎｎｎｆｌａｅｎｅｅａｕｅｃｅｆｉｎｆｒｓｓｉｔＴｅｒｓｌｉｄｃｔｈｔｔｅｈａｙｄｐｄｐｌｓｌｏａｏｍｓｈｖｉｖｙｓｉｉｂｔｒｔｍｐｒｔｒｈｒｃｅｓｉｓａｄｔｅｒｔｍｐｒｔｒｏｆｃｅｔｏｅｉｔｉａｏａｕｔ１ ×１ｅｔｅｅａｕｅｃａａｔｒｔ．ｎｈｉｅｅａｕｅｃｅｆｉｎｆｒｓｓｖｔｈｓａｌｗｖｌｅａｅｉｃｉｉｙ０一一

多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究

多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性一直是光电领域的研究热点之一。

随着光电技术的不断发展，人们对多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性进行了深入的研究，以期能够更好地应用于太阳能电池、光电器件等领域。

本文将对多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性进行系统的研究和分析，以期为相关研究提供一定的参考和借鉴。

一、多晶硅薄膜材料的基本特性多晶硅薄膜材料是一种常见的光电材料，具有优良的光电性能和稳定性。

多晶硅薄膜材料的基本特性包括光电导率、光吸收系数、载流子寿命等。

在不同光谱下，多晶硅薄膜材料的基本特性可能会有所不同，这也是本文研究的重点之一。

二、多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性研究可见光是人类日常生活中最常见的光谱之一，多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性对于太阳能电池等光电器件的性能至关重要。

本文将对多晶硅薄膜材料在可见光谱下的吸收、光电导率等特性进行深入研究，以期揭示其在可见光谱下的响应规律。

三、多晶硅薄膜材料在红外光谱下的响应特性研究红外光谱是一种具有较长波长的光谱，对于多晶硅薄膜材料的响应特性也具有重要意义。

本文将对多晶硅薄膜材料在红外光谱下的吸收、透射等特性进行研究，以期为红外光谱下的光电器件设计提供一定的参考。

四、多晶硅薄膜材料在紫外光谱下的响应特性研究紫外光谱是一种波长较短的光谱，对于多晶硅薄膜材料的响应特性也有一定的影响。

本文将对多晶硅薄膜材料在紫外光谱下的吸收、光电导率等特性进行研究，以期揭示其在紫外光谱下的响应规律。

五、多晶硅薄膜材料在不同光谱下的应用展望最后，本文将对多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性进行综合分析，展望其在太阳能电池、光电器件等领域的应用前景。

同时，本文也将对多晶硅薄膜材料在不同光谱下的研究进行总结，并提出未来研究的方向和重点。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，具有重要的理论和应用意义，对于推动光电技术的发展具有重要的意义。

综合利用副产物SiCl4氢还原生产多晶硅

益比较高的方法有表１内的几种。
其中首推ＳＣｌ氢还原生产多晶ｉ
硅，这种方法技术成熟，过采用辅助通措施，耗与ｓＨＣｌ氢还原接近；能ｉ其次是还原炉尾气的循环利用，这种工
在氯化氢合成制备三氯氢硅过
氢还原生产多晶硅
反应温度较低，化率高，转技不详术简单实用，易上马容
原料零成本，备少，资设投沉积速度较慢
少，术成熟、艺简单、技工安全、量高，质利于环保
探索试验期，实际经没验
转化率较低，耗高，能有能可
碳的沾污
能耗高，能有碳沾污比较低可
低温氢化
转化率较高，能耗较低
硅粉难加入高压氢化炉，门阀
和氢压机易损
硅粉连续添加问题
比较高
尾气直接经过硅粉沸腾炉氢化
提纯生产用于生产光纤的高纯ＳＣｉ１，峨眉半导体材料厂已掌握该产品的生产技术，虽然产品纯度达到要求，但不容易进入和占领市场。
匕较
单易行、而且工艺成熟、能够有效消化ｓｃ市场广阔、合利用的经济效ｉ１、综
还原炉的电器需配套
比较高
比较高
锌还原生产多晶硅
流程短，备少，资少，设投操尾气需要处理、度不高、纯多作简便；积速度快，沉电耗低晶硅呈针状，要浇铸成硅锭需

硅业副产物SiCl4资源化电沉积硅及其性能研究

２．ＳｈａｎｇｈａｉＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｒｅｆｏｒＷＥＥＥＲｅｃｙｃｌｉｎｇ，ＷＥＥＥＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅｏｆＳｈａｎｇｈａｉＳｅｃｏｎｄＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１２０９，Ｃｈｉｎａ）
２０１７年第６期
有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｏｎ）
・７５・
ｄｏｉ：１０．３９６９・／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００７ — ７５４５．２０１７．０６．０１７
ｌｉｑｕｉｄｓ［ＢＭＩＭ］ＴＦ２Ｎｔｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃａｒｂｏｎａｔｅ（ＰＣ），ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃａｔｈｏｄｅｐｌａｔｅｐｒｏｄｕｃｔｓｂｙＣ－ＡＦＭａｐｐｌｙｉｎｇｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙｂｙ－ｐｒｏｄｕｃｔＳｉＣ１４ａｓｓｏｌｕｔｅ，［ＢＭＩＭ］

以SiF_4_H_2为气源PECVD法低温制备多晶硅薄膜

文章编号;025420096(2004)0320333204以SiF4+H2为气源PECV D法低温制备多晶硅薄膜邱春文,石旺舟,黄　(汕头大学物理系,汕头515063)摘　要:采用常规的PECVD法在低温(≤400℃)条件下制得大颗粒(直径>100nm)、高迁移率(～20cm2/vs),择优取向(220)明显的多晶硅薄膜。

选用的反应气体为S iH4和H2混合气体。

加入少量的S iH4后,沉积速率提高了将近10倍。

通过本实验,我们认为在低温时促使多晶硅结构形成的反应基元应是S iF m H n(m+n≤3),而不可能是S iH n(n≤3)基团。

关键词:多晶硅薄膜;PECVD法:低温制备中图分类号:TM614 文献标识码:A0　引　言对非晶硅薄膜来说,多晶硅薄膜相具有大的迁移率和稳定的结构。

因此多晶硅薄膜非常适合应用在各种电子电器装置上,如太阳电池、薄膜晶体管(应用于液晶显示器)等。

多晶硅薄膜以其潜在的巨大应用前景,引起了不少研究机构的极大关注。

至今已有不少关于多晶硅薄膜制备技术的报道。

如液相结晶法[1],气相结晶法[2]和激光结晶法[3]等。

然而,这些技术要求很高的生长温度,大大限制了衬底材料的选择并增加了对能源的消耗,也势必阻碍生产成本的降低。

近年来随着太阳电池的迅速发展和需求,促进人们去深入研究多晶硅薄膜的各种制备工艺,寻求在低廉的衬底材料上低温(≤400℃)沉积多晶硅(poly2Si)薄膜。

然而在低温条件下,很难用SiH4气体在玻璃衬底上直接沉积到多晶硅薄膜[4]。

目前认为,影响多晶硅太阳电池光电性能的主要因素是晶粒尺寸和形态、晶粒间界以及基体中有害杂质的含量及分布方式。

多晶硅太阳能电池各项性能特别是光电转换效率强烈的依赖于多晶硅薄膜的结构。

例如,当薄膜颗粒呈柱状且择优取向为(220)时,晶粒呈定向排列,整个电池就相当于由若干个小柱形的电池并联组成,电池的光电转换效率大大提高,因为垂直薄膜表面的柱状晶粒使载流子表现出更为优越的输运特性。

多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究

多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究一直是光伏领域的研究热点之一。

随着太阳能技术的不断发展，人们对多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性有了更深入的了解。

本文将对多晶硅薄膜材料在可见光谱和红外光谱下的响应特性进行研究，以期为太阳能光伏技术的发展提供一定的参考。

一、多晶硅薄膜材料概述多晶硅薄膜材料是一种常见的太阳能光伏材料，具有良好的光电转换性能和稳定性。

多晶硅薄膜材料的制备方法多样，包括化学气相沉积、物理气相沉积等。

多晶硅薄膜材料在太阳能光伏领域有着广泛的应用，是一种性能稳定、成本低廉的光伏材料。

二、多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性研究可见光谱是太阳能光伏系统中最主要的光谱之一，多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性直接影响着光伏系统的光电转换效率。

研究表明，多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性受到材料表面光照强度、晶粒结构等因素的影响。

通过对多晶硅薄膜材料在可见光谱下的响应特性进行深入研究，可以优化光伏系统的设计和性能。

三、多晶硅薄膜材料在红外光谱下的响应特性研究红外光谱是太阳能光伏系统中另一个重要的光谱，多晶硅薄膜材料在红外光谱下的响应特性对于光伏系统的热电转换效率具有重要影响。

研究表明，多晶硅薄膜材料在红外光谱下的响应特性受到材料的能带结构、晶粒尺寸等因素的影响。

通过对多晶硅薄膜材料在红外光谱下的响应特性进行深入研究，可以提高光伏系统的热电转换效率。

四、多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性对光伏系统性能的影响多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性对光伏系统的性能具有重要影响。

在可见光谱下，多晶硅薄膜材料的响应特性直接影响光伏系统的光电转换效率；在红外光谱下，多晶硅薄膜材料的响应特性对光伏系统的热电转换效率起着关键作用。

因此，深入研究多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性，对于优化光伏系统的设计和性能具有重要意义。

五、多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究的展望随着太阳能技术的不断发展，多晶硅薄膜材料在不同光谱下的响应特性研究将会更加深入和全面。

低温下PolySi薄膜的ECRPECVD生长及特性研究

５实验结果及讨论５．１在硅单晶上沉积Ｐｏｌｙ＿Ｓｉ薄膜实验采用ＥＣＲ－ＰＥＣＶＤ低温沉积设备，衬底为Ｐ型硅单晶片，气源为Ｓｉｒｈ（掺９５％的Ａｒ）和Ｈ２的混合气体，ＳｉＨ４流量为２．Ｏ～１０．０ｓｃｃｒｍＨ２流量为２０～７０ｓｃｃｍ：生长温度范围为２００～５５０＂Ｃ；反应室压强为Ｏ．３～Ｏ．８Ｐａ：微波功率固定在５００Ｗ，沉积时间为２ｈ。

通过ＲＨＥＥＤ、ＴＥＭ和ＡＦＭ分析薄膜的结晶度、表面结构和形貌。

研究生长温度、ＳｉＨ４流量、Ｈ２流量等对沉积薄膜晶质的影响，探讨低温生长优质Ｐｏｌｙ－Ｓｉ的适宜条件，并讨论了氢稀释在薄膜生长中的重要作用。

５．１．１ＳｉＨ４流量对Ｐｏｌｙ－Ｓｉ薄膜晶化的影响在用ＰＥＣＶＤ连续沉积硅薄膜时，衬底温度、反应气体的流量比、生长压力及微波功率的变化都会对薄膜的结构产生影响。

特别是在生长压力和微波功率保持一定的条件下，采用不同的衬底温度和不同的反应气体流量比，薄膜结构可以是多晶，也可以是微晶或非晶１７６Ｊ。

所以，通过改变反应气体的流量，并选择合适的衬底温度，就可以控制薄膜结构ｌ”】。

圈５．１５００＂（２，１１２流量为２０ｓｅｅｍ时不同Ｓｉｍ流肇的ＰＪＩＥＥＤ图像Ｆｉｇ．５．１ＲＨＥＥＤｉｍａｇｅｓｏｆｓａｍｐｌｅｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｉｌｓｉｌｉｃｏｎｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｆｉ５００＂Ｃ，Ｈ矗０ｓｏ∞ｗｈｉｌｅｄｉｆｆｅｒｅｒｔｔｆｌｕｘｏｆｓｉｎ４．大连理亡大学硕士学位论文选取硅为衬底，衬底温度为５００℃，微波功率为５００Ｗ，Ｈ２流量为２０ｓｃｃｍ，ＳｉＨ４流量从２．Ｏｓｃｃｍ到１０．０ｓｃｏｒｎ，沉积时问为９０ｍｉｎ。

图５．１给出了ＳｉＨ４流量为２．０，３．０，６．０，１０．０ｓｃｏｒｎ样品的ＲＨＥＥＤ图像。

由图５．１可以看出，当ｓｉＨ４流量为６．０ｓｃｏｍ时，ＲＨＥＥＤ图像多晶环最清晰，这表明在该条件下沉积的Ｐｏｌｙ－Ｓｉ质量较好；随ＳｉＩ－ｈ流量变大和变小，多晶环越来越模糊，在流量为２．Ｏｓｃｃｍ时，多晶环已经模糊得看不到了，表明此条件下沉积的是非晶硅。

《2024年2H-SiC纳米线的光电性能研究》范文

《2H-SiC纳米线的光电性能研究》篇一一、引言随着纳米科技的不断进步，半导体材料的应用日益广泛，其中2H-SiC作为一种宽禁带半导体材料，其优异的光电性能在光电转换、电子传输、光电检测等方面有着广阔的应用前景。

2H-SiC 纳米线以其优异的热稳定性、机械强度以及光电性能引起了广泛的关注。

本文将对2H-SiC纳米线的光电性能进行深入的研究与探讨。

二、研究内容与方法1. 材料制备本实验采用化学气相沉积法（CVD）制备了2H-SiC纳米线。

首先，将硅源和碳源放置在高温炉内，在特定的温度和气氛下，通过化学反应制备出2H-SiC纳米线。

2. 光电性能测试采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备的2H-SiC纳米线进行形貌观察，并利用X射线光电子能谱（XPS）分析其成分及化学状态。

此外，利用光电流测量仪、光谱仪等设备对其光电性能进行测试与分析。

3. 结果与讨论（1）形貌与结构分析通过SEM和TEM观察发现，制备的2H-SiC纳米线具有较高的纯度，形貌规整，尺寸均匀。

XPS分析结果表明，纳米线中Si和C的化学状态与预期的2H-SiC相符合。

（2）光电性能分析a. 光吸收性能：通过光谱仪测试了2H-SiC纳米线的光吸收性能。

结果表明，在紫外-可见光范围内，2H-SiC纳米线具有较高的光吸收能力，特别是在紫外区域，具有较高的光吸收峰值。

b. 光电流响应：采用光电流测量仪对2H-SiC纳米线的光电流响应进行了测试。

结果表明，在特定波长的光照射下，2H-SiC纳米线具有优异的光电流响应性能，光电流随光照强度的增加而增大。

此外，光电流响应速度较快，表明其具有较好的光电转换效率。

c. 光电导性：通过测量2H-SiC纳米线的电导率随光照强度的变化情况，发现其光电导性良好，光诱导的载流子迁移率较高。

这为2H-SiC纳米线在光电转换、电子传输等领域的应用提供了有力支持。

三、结论本文通过化学气相沉积法制备了形貌规整、纯度较高的2H-SiC纳米线，并对其光电性能进行了深入研究。

SiCl_4浓度对微晶硅薄膜生长及光电特性的影响

SiCl_4浓度对微晶硅薄膜生长及光电特性的影响祝祖送;张杰;尹训昌;易明芳;闻军【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2016(45)4【摘要】研究了SiCl_4浓度对等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中以SiCl_4/H_2为反应气体的微晶硅薄膜生长及光电特性的影响。

结果表明,微晶硅薄膜的沉积速率和晶化率均随SiCl_4浓度的增加而增大,而晶粒平均尺寸在SiCl_4浓度小于65%时呈增大趋势,在SiCl_4浓度大于65%时呈减小趋势;此外,光照实验表明制备的微晶硅薄膜具有较稳定的微观结构,具有类稳恒光电导效应,且样品的电导率依赖于SiCl_4浓度的变化。

此外,还讨论了Cl基基团在微晶硅薄膜生长过程中所起的作用。

【总页数】6页(P1012-1016)【关键词】微晶硅;稳恒光电导效应;晶粒;等离子体增强化学气相沉积【作者】祝祖送;张杰;尹训昌;易明芳;闻军【作者单位】安庆师范学院物理与电气工程学院【正文语种】中文【中图分类】O484【相关文献】1.锗烷浓度对非晶/微晶相变区硅锗薄膜结构及光电特性的影响 [J], 范闪闪;路雪;牛纪伟;于威;傅广生2.氢稀释对高速生长纳米晶硅薄膜晶化特性的影响 [J], 邱胜桦;陈城钊;刘翠青;吴燕丹;李平;林璇英;黄种;余楚迎3.放电功率对微晶硅薄膜的晶化调控及光电性质的影响 [J], 祝祖送;尹训昌;张杰;易明芳;闻军4.本征微晶硅薄膜和微晶硅电池的制备及其特性研究 [J], 张晓丹;高艳涛;赵颖;朱锋;魏长春;孙建;耿新华;熊绍珍5.氢稀释对纳米晶硅薄膜晶化特性的影响及薄膜生长机理 [J], 于威;詹小舟;李彬;徐艳梅;李晓苇;傅广生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

用微波等离子体化学气相沉积法低温生长织构多晶硅薄膜

第19卷第9期半　导　体　学　报 V o l.19,N o.9 1998年9月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Sep.,1998　用微波等离子体化学气相沉积法低温生长织构多晶硅薄膜贺德衍(兰州大学物理系　兰州　730000)Isam u Shi m izu(T he G rad uate S chool a t N ag a tsu ta,T oky o Institu te of T echnology,4259N ag atsu ta,M id ori2ku,Y okoham a227,J ap an)摘要　本文报道用微波等离子体沉积原子氢处理交互进行方法低温制备多晶硅(po ly2Si)薄膜及其结构特征和光电特性.X光衍射(XRD)、透射电镜(T E M)、光吸收、光电导等测量分析表明,柱状晶粒分布致密,呈现良好的(220)择优取向生长.锐利的光吸收边意味着样品中有很低的带尾态密度,光吸收过程主要由晶粒中电子的带间跃迁所支配.小的光电导激活能说明晶界缺陷密度低,晶界势垒小.所有这些都是由于在薄膜生长过程中引入了氢等离子体的周期性原位处理,不仅抑制了非晶态相的形成、促进了晶粒的生长及织构构造的形成,同时也补偿了晶界的悬挂键缺陷.本文还探讨了这种低温织构po ly2Si薄膜作为光伏材料的应用可能性.PACC:8155,6855,7360F1　引言近年来,各种薄膜半导体材料在制备大面积器件方面已取得了很大的进展.一个新的领域,巨大微电子学(gian t m icroelectron ics)也应运而生.在这些材料中,低温下制备的多晶硅(po ly2Si)薄膜受到了极大的关注.这一方面是由于它在薄膜晶体管(T FT)、太阳电池等大面积器件中所具有的应用潜力,另一方面是因为它可以在低温下制备,从而能够利用玻璃等廉价材料作为衬底,易于实现大面积、低成本.目前已发展的低温制备po ly2Si薄膜的方法主要有:低压化学气相沉积(L PCVD)[1]、非晶硅(a2Si)薄膜的热退火或激光退火晶化[2,3]、等离子体化学气相沉积(PECVD)[4]等.其中,PECVD因其在制备大面积、高均匀度薄膜方面所显示出的巨大优势而引起了人们的重视.然而,与高温生长过程不同,在PECVD过程中,晶粒几乎不聚合而难以形成大晶粒结贺德衍　男,1962年出生,从事薄膜材料与物理的研究1997206219收到,1997209225定稿构,并且还常常伴有非晶体共生.由此而导致的PECVD po ly 2Si 薄膜较差的电子输运特性限制了它们在器件中的应用.另一方面,已有报道表明[5],用小晶粒po ly 2Si 材料制成的T FT ,场效应迁移率已高达390c m 2・V -1・s -1.它的材料是用溅射法生长的a 2Si 薄膜经激光退火晶化而制备的,晶粒尺寸在40到几百nm 之间,一个重要的结构特征是晶粒为柱状且晶界模糊不清.这一结果启发我们有必要从多晶结构出发,重新考虑改善PECVD 方法制备的小晶粒po ly 2Si 薄膜电学特性的途径.我们已提出了用微波等离子体沉积原子氢处理交互进行方法在玻璃衬底上低温制备po ly 2Si 薄膜,特别是对P 掺杂样品中的载流子输运特性作了深入的分析研究[6,7].通过在薄膜生长过程中用氢等离子体周期性原位处理,我们试图促进晶格形成的弛豫过程以抑制非晶相的形成,促进晶粒的生长,同时也期望补偿晶界的悬挂键缺陷以改善其电子状态,最终改善薄膜的电学特性.本文将着重报道原子氢处理在多晶结构形成过程中的作用,研究薄膜的结构特征及其光吸收、光电导特性,探讨它作为光伏材料的应用可能性.2　实验2.1　薄膜制备图1　样品制备过程中源气体供给示意图每一周期薄膜的生长时间为T d ,原子氢的处理时间为T t ;图中同时给出了在该过程中所观察到的SiF 发光集团的O ES 发光强度随时间的变化.po ly 2Si 薄膜样品是用微波等离子体沉积原子氢处理(沉积处理)交互进行的方法制备的.选择含F 的SiF 4作为源气体,主要是考虑到F 所具有的强的化学活性.典型的生长条件为:SiF 4流量,60scc m ;H 2流量,15scc m ;衬底温度,360℃;微波功率,～200W ;生长压力,53Pa .与通常的PECVD 相比较,本工作所用制膜设备有以下几个特点:(1)采用微波激励以增加H 2的分解、提高薄膜的生长速率.在本文所采用的生长条件下,生长速率达1nm s ;(2)在等离子体产生区采用同轴二重管构型,不锈钢内管防止了原料气体SiF 4直接被微波激发、分解,成膜用活性集团SiF m H n (m +n ≤3)的形成依赖于原子氢与SiF 4的碰撞反应,这有利于控制生长条件;(3)使等离子体发生区与薄膜生长区分离,以减少等离子体中的高能粒子对薄膜生长表面的轰击作用,有利于晶体结构的形成;(4)采用沉积处理交互进行模式以促进晶粒生长,并原位补偿晶界的悬挂键缺陷.为了实现沉积处理交互进行的沉积方式,采用如图1所示的气体供给方式.H 2被连续地送入等离子体发生腔内,而SiF 4是通过计算机控制一高响应质量流量计、脉冲式地进入反应区.因此,SiF 4的供给时间T d 将对应着薄膜的生长,而SiF 4停止供给的时间T t 将对应着原子氢的处理.图1还同时给出了在这一过程中用光学发光谱(O ES )方法所观察到的反应区266 半　导　体　学　报　19卷SiF 发光集团的发光强度随时间的变化(波长约为440nm ),该结果从一个方面证实了沉积处理交互进行的薄膜生长过程.2.2　样品测试利用透射电子显微镜(T E M )、X 光衍射(XRD )、喇曼光谱等对样品的结构特性作了系统的分析;用红外光吸收(I R ),二次离子质谱(S I M S )测量了样品中氢和氟的含量;用交流常数光电导方法(A C 2CPM )测量了样品的光吸收谱;用霍尔效应,直流暗电导和光电导等方法测量了样品的电学特性.3　结果与讨论3.1　结构特性在用微波等离子体CVD 连续沉积硅薄膜时,衬底温度、反应气体的流量比、生长压力及微波功率的变化都会对薄膜的结构产生影响.特别是在生长压力和微波功率保持一定的条件下,采用不同的衬底温度和不同的反应气体流量比,薄膜的结构可以是多晶,也可以是微晶或非晶[8].这是因为改变反应气体流量比将改变等离子体中所形成的活性集团的类型和浓度,而改变衬底温度将使活性集团在生长薄膜表面的反应过程发生变化.因此,通过改变反应气体的流量比而在等离子体中选择性地形成活性集团,并结合选择合适的衬底温度,就可以控制薄膜结构.在衬底温度低于400℃下,实验发现SiF 4 H 2比例较小时,生长薄膜表面所发生的主要是以核的形成为主的反应过程,生长出的硅薄膜是微晶结构,晶粒大小均匀;当SiF 4 H 2比例较大时,生长薄膜表面所发生的主要是以核的生长为主的反应,由于成核密度小,所得到的薄膜中尽管存在比较大的晶粒,但大小不一并有着较大成分的非晶相.图2　固定每一周期中原子氢的处理时间T t 为10s ,改变沉积时间T d 制备的一组po ly 2Si 薄膜的XRD 谱基于上述实验结果,在沉积处理交互进行方法中,选择了连续沉积时有利于核的生长的沉积条件,通过周期性的引入原子氢处理,以促进晶格形成的弛豫过程、抑制非晶相的形成并加速晶粒的生长,从而在低温下制备出大晶粒织构po ly 2Si 薄膜.在沉积处理交互进行方法中,每一周期中的生长时间T d 和原子氢的处理时间T t 是新引入的两个重要参数.T d 的改变对应着每一周期所生长的薄层厚度的变化,因此考虑到原子氢的有效作用深度,即使T t 保持一定,原子氢处理的效果也会发生变化.图2所示为T t 固定为10s 而改变T d制备的一组样品的XRD 谱.为了得到可比的实验结果,样品制备时通过调节总周期数使得它们的厚度大约为116Λm .由图2可见,所有样品均呈现极佳的(220)结晶取向.当T d ≈10s时,对应着每一周期生长的薄层厚度约为10nm ,(220)衍射峰最强,意味着薄膜的结晶性和取向性最好.这说明在现有的生长条件下,原子氢的处理效果主要是在生长表层约10nm 的范3669期贺德衍等:　用微波等离子体化学气相沉积法低温生长织构多晶硅薄膜 466 半　导　体　学　报　19卷围.若固定每一周期所生长的薄层厚度为10nm,改变原子氢处理时间T t可得到相似的结果,即当T t大约为10～15s时,呈现出最佳的处理效果.衬底温度是影响原子氢处理效果的另一个重要参数.在250～400℃之间,衬底温度愈低,原子氢处理的效果愈明显,对应的体现最佳处理效果的薄层厚度增大;当衬底温度较高时,原子氢处理的效果减弱,除了对应最佳处理效果的薄层厚度减小外,薄膜的结晶取向性也变坏.图3(a)(见图版I)是当T d和T t均设定为10s时制备的po ly2Si薄膜的平面T E M明场像.作为比较,图3(b)(见图版I)给出了在其它生长条件完全相同,连续沉积得到的样品的结果.显然,用沉积处理交互进行制备的样品不但晶粒分布均匀、致密,而且晶粒尺寸显著增大.从T E M暗场像测得平均晶粒大小为100～150nm.在对应的选区电子衍射谱中,与连续沉积样品的非晶衍射晕环与晶体衍射斑共存情况形成对比,在沉积处理制备的样品中,我们只观察到了晶体衍射斑,进一步说明了样品具有良好的多晶结构,表明氢等离子体周期性原位处理的生长模式,在抑制了非晶态相形成的同时促进了晶粒的生长.3.2　光吸收特性图4(见图版I)给出了利用A C2CPM方法测得的用沉积处理交互进行方法制备的po ly2Si薄膜的光吸收谱.作为比较,在图中还给出了单晶硅(c2Si)及a2Si∶H薄膜的测量结果[9,10].不难看出,po ly2Si薄膜除了在所测量的整个光子能量范围内呈现比c2Si大的光吸收系数及当光子能量hΜ<1.0eV时存在有弱的吸收外,它的光吸收谱形状与c2Si是非常相似的.在光子能量范围hΜ≈1.0～1.3eV呈现锐利的吸收边,这意味着样品中带尾态密度是非常低的,因此,光吸收过程主要是由晶粒中电子的带间跃迁所支配.这也可以认为是在薄膜制备过程中原子氢周期性原位处理的效果,原子氢的作用使得生长表层中处于晶界的弱(键长和键角偏离四面体硅结合的正常值)Si2Si键合被正常的Si2Si键合所取代,硅的悬挂键缺陷也被原子氢所补偿,因此样品中的带尾态密度低,吸收边变得非常锐利.与c2Si相比较,po ly2Si薄膜所表现出的较大的光吸收系数除了有晶粒相对比较小的原因外,如图2和图3(a)所示的织构结构特征所造成的光子限域效应也是一个重要的原因.3.3　光电导特性图5(见图版I)给出了上述样品的暗电导率(实点)及在不同入射光子通量F下的光电导率(空点)随温度的变化关系.从不同温度区域求得的电导激活能∃E同时也标在了图中.可见,暗电导率的激活能为0.60eV,这非常接近于c2Si禁带宽度的二分之一,并与图4中光吸收谱的测量结果是一致的,进一步说明了样品具有良好的结晶性和低的缺陷态密度.光电导率随温度的变化可分为几个不同的区域,对应着不同的传导与复合过程而得到了不同的激活能.但激活能都是很小的(<80m eV),这一方面说明样品中的带尾态密度低、能量分布范围(带尾态宽度)非常窄,另一方面,在多晶结构中,光电导激活能主要取决于晶界缺陷所形成的晶界势垒,因此,图5还说明了样品中的晶界缺陷态密度是很低的.从光电流I p随入射光子通量F的变化我们发现,在所测量的温度范围内满足I p∝FΑ,其中Α接近为1,说明样品中的光电导复合过程主要由单分子复合所支配.图4和图5所示的光吸收及光电导特性启发我们进一步探讨这种po ly2Si薄膜作为光伏材料在器件中的应用可能性.断面T E M测量发现,晶粒是呈现沿着垂直于衬底平面方向的柱状[6],所以在这个方向上晶界应很少,选择太阳电池这样的纵方向器件可望能够得到良好的载流子输运特性.电池的下电极采用在玻璃衬底上电子束蒸发一层金属C r 薄膜,在C r 电极之上,用沉积处理方法首先沉积一层P 掺杂po ly 2Si 薄膜.这除了有形成良好的欧姆图6　在无偏光条件下测得的P t po ly 2Si肖特基太阳电池的量子效率接触的考虑以外,从多晶生长方面考虑,在非晶结构衬底上,薄膜生长初期有非晶态结构形成[6],因此,我们期待着借助PH 3掺杂有利于结晶核的形成[11].在P 掺杂po ly 2Si 薄膜之上,类似于c 2Si 的外延生长,形成一个完整的本征po ly 2Si 激活层.上电极采用电子束蒸发沉积的半透明的P t 薄膜,厚度大约为20nm ,透过率20～25%.图6给出了在无偏光条件下测得的这样一个肖特基太阳电池的量子效率.本征po ly 2Si 的厚度仅为1Λm .可以看出,在长波区域有着良好的响应,说明用这种材料制作叠层太阳电池的底部电池有很大的应用潜力.由于实验条件所限,我们并没有细致地优化器件参数.在AM 1光照条件下电池的开路电压V oc 仅为0.25V ,但考虑到激活层厚度仅为1Λm ,我们却得到了相对大的短路电流I sc =11.88mA c m 2.这说明在这种织构po ly 2Si 薄膜中少子寿命较长,织构结构可能对光子也具有量子限域作用.4　结论用微波等离子体沉积原子氢处理交互进行方法低温制备了po ly 2Si 薄膜.用XRD 、T E M 等对其结构特性测量分析表明,晶粒分布致密,呈现良好的(220)择优取向生长.光吸收谱中锐利的光吸收边说明样品有非常低的带尾态密度,光吸收过程主要由晶粒中电子的带间跃迁所支配.随温度变化的光电导率所呈现的小的激活能表明晶界缺陷密度低,晶界势垒小.所有这些都是因为,在薄膜生长过程中氢等离子体的周期性原位处理,不仅抑制了非晶态相的形成、促进了晶粒的生长及织构构造的形成,同时也补偿了晶界的悬挂键缺陷.参考文献[1]　C .A .D i m itriadis ,J .Stoem eno s ,P .A .Coxon et a l .,J .A pp l.Phys .,1993,73:8402.[2]　T .E .D yer ,J .M .M arshall and J .F .D avies ,Ph ilo s .M ag .,1994,B 69:509.[3]　P .M ei ,J .B .Boyce ,M .H ack et al .,J .A pp l .Phys .,1994,76:3194.[4]　K .C .W ang ,H .L .Hw ang ,P .T .L eong et a l .,J .A pp l .Phys .,1995,77:6542.[5]　S .Sh irai and T .Serikaw a ,IEEE T rans .E lectron D evices ,1992,ED -39:450.[6]　D .H e ,S .Ish ihara and I .Sh i m izu ,Jpn .J .A pp l.Phys .,1993,32:3370.[7]　D .H e ,N .O kada ,C .M .Fo rtm ann et al .,J .A pp l .Phys .,1994,76:4728.[8]　M .N akata ,A .Sakai ,T .U em atsu et al .,Ph ilo s .M ag .,1991,B 63:87.[9]　H .J .Hovel ,Sem iconducto rs and Sem i m etals ,O rlando :A cadem ic ,1975,11:10.[10]　M .A zum a ,T .Yoko i ,I .Sh iiya et al .,J .N on 2C ryst .So lids ,1993,164～166:47.[11]　T .M atsuyam a ,M .T anaka ,S .T suda et a l .,Jpn .J .A pp l .Phys .,1993,32:3720.5669期贺德衍等:　用微波等离子体化学气相沉积法低温生长织构多晶硅薄膜 666 半　导　体　学　报　19卷L ow-Tem pera ture D eposition of Textured Polycrysta ll i neSil icon F il m s by Layer-by-Layer Techn iqueH e D eyan(D ep art m ent of P hy sics,L anz hou U niversity,L anz hou　730000)Isam u Sh i m izu(T he G rad uate S chool at N ag a tsu ta,T oky o Institu te of T echnology,4259N ag a tsu ta,M id ori2ku,Y okoham a227,J ap an)R eceived19June1997,revised m anuscri p t received25Sep tem ber1997Abstract　T h in2fil m po ly2Si m aterials w ere depo sited by a layer2by2layer techn ique at low sub strate tem p eratu re,360℃.T ran s m issi on electron m icro scop y(T E M)and X2ray diffracti on(XRD)m easu rem en ts show that a tex tu red structu re w ith a w ell o rien tati onal p ack ing of the co lum nar grain s has been fo rm ed by th is depo siti on techn ique.T he grain boundaries are m odu lated and the grain size is en larged.T he band2tail states are found to be decreased th rough alternating cu rren t con stan t p ho tocu rren t m ethod(A C2CPA) m easu rem en ts.T he tem p eratu re dep enden t p ho tocuductivity confirm s that the grain boundary barriers are reduced to a large degree.A ll of these are attribu ted to the i m p rovem en t of the low2tem p eratu re relaxati on of the silicon netw o rk s betw een the grain s by the layer2by2layer atom ic hydrogen treatm en t,leading to sign ifican t grow th of the grain s and in situ p assivati on of the grain boundary defects.Fu rtherm o re,the h igh in ternal quan tum efficiency and good red respon se of Scho ttky barrier cells are indicative of the po ten tial app licati on s of these po ly2Si fil m s in m u lti2juncti on so lar cells.PACC:8155,6855,7360F。