PECVD法制备氢化纳米晶硅薄膜及其晶化特性的研究.doc

PECVD 法制备氢化纳米晶硅薄膜及其晶化特性的讨论氢化纳米晶硅(hydrogenated nanocrystalline silicon, nc-Si:H)薄膜是硅的纳米晶粒镶嵌在氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)网络里的一种硅纳米结构材料。它具有高电导率、宽带隙、高吸收系数、光致发光等光电特性,已经引起了学术界的广泛关注和讨论。一方面,nc-Si:H 薄膜材料具有量子限制效应,因此可以通过控制薄膜中的晶粒尺寸等来调节薄膜的带隙,以应用于对不同波段的光的吸收。另一方面,nc-Si:H 薄膜材料具有良好的光照稳定性,无明显的光致衰退效应,有望应用于薄膜太阳能电池工业化生产中。然而,nc-Si:H 薄膜材料的结构、电学等性质强烈地依赖于其所制备的工艺参数。因此,本文利用等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)法系统地讨论了工艺参数(射频功率、氢稀释比、沉积温度、磷或硼掺杂比)对本征及掺杂 nc-Si:H 薄膜晶化特性、电导率及生长速率的影响。讨论结果表明：(1)在一定范围内,随着射频功率的增加,本征和掺杂 nc-Si:H 薄膜的晶化率、晶粒大小、沉积速率及电导率都在提高,但是过高的射频功率会使得薄膜表面被大量的原子轰击,导电性下降；(2)提高氢稀释比是制备nc-Si:H 薄膜最有效的方法。随着氢稀释比的增加,薄膜逐渐由非晶转变为纳米晶,而且氢稀释比越大,晶化程度越高,但是会显著降低薄膜的沉积速率；(3)在一定范围内,提高沉积温度可以提高 n 型和本征 nc-Si:H 薄膜的晶化程度和导电性,但是对 p 型 nc-Si:H 薄膜刚好相反,主要是因为掺硼的 nc-Si:H 薄膜在高温下更容易脱氢所致；(4)随着磷或硼掺杂比的增加,薄膜晶化程度在降低,而沉积速率在增加。在一定范围内,磷掺杂比越高,薄膜导电性越好。而硼掺杂比越高,薄膜导电性越差,且超过 0.5%的硼掺杂比就会导致薄膜的非晶化。最后,选取最优的工艺参数,初步探究了 nc-Si:H 薄膜在 p-i-n 型薄膜电池上的应用,获得的最高光电转换效率为 4.97%。金属诱导晶化(metal induced crystallization, AIC)也是制备纳米晶硅或硅纳米线(SiNWs)的常见方法之一,本文利用 PECVD 法和磁控溅射(magnetron sputtering deposition, MSD)法制备了锡诱导硅纳米线(Sn-SiNWs).通过扫描电镜拍摄的图片(SEM 图)可以看出,PECVD 法所制备的 Sn-SiNWs 的密度、均匀性都要远远高于 MSD 所制备的。最后,结合实验数据讨论了 SiNWs 的生长机制。需要指出的是这是首次利用MSD 制备出 Sn-SiNWs,这在纳米级传感器、存储器等微电子器件中有潜在的应用前景。另外,如何有效地控制生长取向一致的 SiNWs 还有待于进一步的讨论。