非晶硅薄膜PECVD法制备与光学性质表征

第29卷　第12期

2007年12月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.29　No.12　Dec.2007

非晶硅薄膜PECV D 法制备与光学性质表征

郝江波1,夏冬林1,姜　宏2,赵修建1

(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,武汉430070;2.中国洛阳浮法玻璃集团有限责任公司,洛阳471009)摘　要:　在普通玻璃上采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD )方法制备氢化非晶硅薄膜,研究了在不同温度、压力、功率、H 2/SiH 4气体流量比等条件下氢化非晶硅的沉积速率,折射率、消光系数、吸收系数、光学禁带宽度等光学性质。实验结果表明非晶硅薄膜的折射率随着入射光波长的增加而减小;在500nm 处吸收系数高达8.5×104cm -1,光学禁带宽度在1.60—1.78eV 之间变化。

关键词:　非晶硅薄膜;　折射率;　吸收系数;　光学禁带宽度

中图分类号:　O 766;　TN 304文献标识码:　A 文章编号:167124431(2007)1220055204

R esearch on Preparation and Optical Properties of Amorphous

Silicon Thin Films by PECV D

HA O Jiang 2bo 1,X IA Dong 2li n 1,J IA N G Hong 2,ZHA O Xi u 2jian

1(1.K ey Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education ,Wuhan University of

Technology ,Wuhan 430070,China ;2.China Luoyang Float G lass Group Co

Ltd ,Luoyang 471009,China )

Abstract :　

Amorphous hydrogenated silicon was fabricated by plasma enhanced chemical deposition on glass.The thickness ,refractive index and extinctive index were calculated b y optical transmittance and reflection of the film ,which measured b y N K D7000w.The deposition rate of the film was studied at different tem perature ;pressure ,RF power and the ratio of H 2/SiH 4.It indicated that the deposition rate of hydrogenated amorphous silicon increased with the increasing of the tempera 2ture ,RF power ,pressure and the content of SiH 4.The refractive index of hydrogenated amorphous silicon increased with the increasing of the temperature.The refractive index and extinctive index of the film decrease with the increase incident li g ht wavelength.The absorption coefficient and optical bandgap of the film was evaluated.K ey w ords :　a 2Si thin film ;　refractive index ;　absorption coefficient ;　optical bandgap

收稿日期:2007209208.

基金项目:武汉市科技攻关(20061002037)和硅酸盐材料工程教育部重点实验室(武汉理工大学)开放基金(SYS JJ2005212).作者简介:郝江波(19812),男,硕士生.E 2mail :hjfb @

氢化非晶硅薄膜具有高的光吸收系数、简单的制备工艺以及易于大面积生产而被广泛应用于制作大面积、高效率的薄膜太阳能电池[1,2];同时等离子化学气相沉积法制备技术具备对衬底温度要求低,易于在玻璃衬底上大面积制备的优点,这些制备优点使其在太阳能屋顶,太阳能玻璃幕墙等光伏与建筑结合方面具备很大的应用潜力。氢化非晶硅太阳能电池制备的核心是本征层材料的控制,它要求本征氢化非晶硅薄膜必须具备沉积速率高、缺陷态密度低、对光吸收高,O 、N 、C 等杂质污染少等特点。实验研究了在4×10-4Pa 真空条件下不同温度、压力、功率、H 2/SiH 4气体流量比等条件对非晶硅薄膜沉积速率的影响,并从辉光放电电子动力学、等离子化学、表面沉积动力学3个方面[325]对非晶硅的生长机理做了相应的讨论,同时对在不同衬底温度条件下制备的非晶硅薄膜的折射率、消光系数、吸收系数、光学禁带宽度等光学性质进行了表征。

1　实　验

采用PECVD 法在普通玻璃衬底上沉积非晶硅薄膜,沉积条件如下:射频电源频率13.56MHz ,本底真空4×10-4Pa ,极板间距2cm ,反应室直径20cm 。反应气体SiH 4/H 2在(1∶1)—(1∶12)之间变化(反应气体纯度均为99.999%);衬底温度为150—400℃;沉积功率为20—100W ;工作气体压强40—200Pa 。

氢化非晶硅材料的透射光谱与反射光谱采用英国Aquila 公司生产的N KD7000w 薄膜分析系统进行测试,薄膜的厚度及光学常数采用其系统分析软件进行理论计算而得。

当入射光波长大于500nm 时,非晶硅属正常色散,因此折射率和消光系数可采用柯西模型拟合[6],得到与测试T 、R 相近的曲线,近似程度用均方差表示。由此得到薄膜的厚度、折射率与消光系数的数值。薄

膜的沉积速率由厚度与沉积时间关系v =d/t 给出。吸收系数由α(hv )=4πk/λ计算而得。其中α(hv )表示吸收系数,它是光子能量hv 的函数,k 表示材料的消光系数。光子能量与入射光波长关系满足hv =

1240/λ。根据近似公式(αhv )1/2=B (hv -Eg opt ),对横纵坐标分别为hv ,(αhv )1/2对应的曲线作切线,与

横坐标相交所得截距大小即为光学禁带宽度Eg opt [7]。

2　结果与讨论

2.1　氢化非晶硅薄膜的沉积速率

PECVD 法沉积氢化非晶硅膜,受到反应室气压、基体温度、射频功率以及H 2/SiH 4稀释比等因素的影响。以下采用单因素法,研究了各因素与沉积速率之间的变化关系,

如图1—图4所示。

从图1可以看出,在反应室气压、基片温度、射频功率不变的情况下,随着H 2/SiH 4稀释比例增加,沉积速率逐渐下降;在H 2/SiH 4为4—6之间,沉积速率下降速率最快,随着稀释比的增加,沉积速率下降趋势逐渐变缓。根据文献报道[8],在稀释比大于1时,随着氢稀释比的增加,反应物在基片的浓度降低,同时H 原子对膜层表面Si —Si 弱键的刻蚀作用增强,在表面形成Si —H 键进一步阻碍了Si —Si 键的形成,导致成膜速率下降。

图2表明,在H 2/SiH 4稀释比例、射频功率、基片温度不变的情况下,增大反应气压P ,薄膜生长速率增加;反应压力在120—150Pa 之间时,沉积速率增长最快,反应压力大于150Pa 后,沉积速率增加缓慢。在射频功率一定时,极板间的电场强度变化不大,当反应气体压力较小时,反应气体SiH 4分子浓度较低,被电场加速的电子碰撞的几率小,所以产生的等离子体密度较小,因此沉积速率较小[9]。当增加反应气体压力时,沉积速率相应地增加。但是,当系统的压力增加时,同时使电子的平均自由程减小,加速电子的能量相应地减小,反应气体的电离率相应地减小,因此会表现为反应压力大于150Pa 后沉积速率增加的速度降低。

图3是H 2/SiH 4稀释比例、反应室气压、基片温度固定,改变射频功率P 时沉积速率的变化曲线。从图3可以看出,随着射频功率的增加,沉积速率也相应地增加。射频功率在20—40W 时增长趋势最为明显。射频功率的增加使极板之间的电场增强,等离子体内电子密度和激子密度增加,这就使反应速率增加。同时,射频功率增加,会增大对薄膜的刻蚀速率,导致沉积速率降低[9]。当射频功率在20—40W 之间时,等离子体内电子和激子密度增加对沉积速率影响较强,刻蚀作用较弱,因此增长速率较快。当再增大射频功率时,刻蚀作用影响程度加大,沉积速率增长放缓。但整体而言,射频功率增加到100W 时,从图3中可以看出混合气体并没有完全离化,射频功率增加时,沉积速率仍有增加的趋势。

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5 武　汉　理　工　大　学　学　报 2007年12月