气压对VHF-PECVD制备的μc-Si：H薄膜特性影响的研究.doc

气压对VHF-PECVD制备的c-Si：H薄膜特性影响的研究本文由wujinfeng05贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 第 卷 第 期 年 月 人 工 晶 体 学 报 唧 气压 对 制备 的 ： 薄膜 特性影 响 的研 究 张晓丹， 朱 张德坤 ， 锋 ， 颖 ， 国付 ， 赵 侯 魏长春 ， 建 ， 孙 任慧志， 薛俊明， 耿新华 ， 熊绍珍 （ 南开大学光 电子所 ， 天津 ） 摘要 ： 文主要研究 了用 方法制备 的不 同工作气 压的微 晶硅 薄膜 样品 。结 果表 明 ： 积速率 随反应 气 本 沉 压的增大而逐 渐增大 ； 光敏性 （ 电导 电导 ） 光 暗 和激 活能测 试结 果 给 出了相 同的变 化规 律 ； 傅立 叶红 外测试 、 射 线衍射 和室温微 区喇曼谱 的结果都 表明 了样 品的晶化特性 ； 通过工 艺的具体优化 得出 了器件级 的微晶硅材料 。 关键词 ： 甚高频 等离子体增 强化学气相沉积 ； 微 晶硅薄膜 ； 叶变换红外光谱 ； 氢化 傅立 射线衍射 ； 区喇曼光谱 微 中图分类号： 文献标识码 ： 文章编号 ： ） （ ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ，衄 ） ， ， （ 矗 ） 鼬耐 ： ； ， ： ） （ ； （ ） （ ） ； ： ； ； 引 言 我们知道氢化非 晶硅（ ） 口： 薄膜在太阳能 电池中已占有一席之地 ， 同多晶硅材料相 比， 其优点是生长 温度不是很高， 但其有一个难克服 的缺点就是光致衰退效应 （ ） 。由于此效应 的存 在 ， 使得非 晶硅 的稳 收稿 日期 ： 基金项 目： 国家“” 研究项 目（ ； ）教育部重点项 目（ ） “” 目（ ） ， 和 项 资助 作者简介 ： 张晓丹 （） 女 ， ， 吉林省人 ， 博士 。 维普资讯 第 期 张晓丹等 ： 气压对 制备 的 薄膜 特性影响 的研究 ： 定性成为人们一直在研究的课题 ， 但直到现在 ， 还没有很好的方法能够解决这个难题 。而随着人们的研究发 现： 微晶硅太 阳能电池光学稳定性则很好 ， 几乎没有光致衰退效应 ，。近些 年来 ， 晶硅材料 和电池 的研 微 究成为人们研究 的热门课题 。 当前 ， 研究微 晶硅材 料和 电池 的实验室 主要有德 国的 、 士的 本 的 瑞 、 以及 美 国的 等 。不 同的国家和实验室都有其各 自的工艺条 件来 制备材料 和器 件。但 总的 目标是提高 电池 的效 率 、 电池 的成本 。我国在微 晶硅材料和电池 方面的研究 还处于起步阶段 ， 降低 要想做 出高效率 的微 晶硅电 池 ， 出好 的微 晶硅材料是非常必要 的。我们 知道影响材料生长的因素有很多 ， 制备 比如 ： 温度 、 等离子体功 率、 硅烷浓度 、 腔室气压和 的频率等 。我们实验主要分析沉积气压的变化对制备样 品的电学特性和结 构特性的影响。 实 验 实验 中的所有样品都是在 高真空的三室连续的 系统 中制备 的。采用 的反应源为硅烷 和氢气 。 实验 中采用的衬底为 玻璃和 晶向为 （ ） 的高阻双面抛光 的硅片。实验中气体 的总流量 为 不变 ， 甚高频电源所用 的激发频率为 。本底真空都约为 。实验 中主要分析 了 两系 、 列的样品。两系列 的共同点是分析研究随气压 的变化制备薄膜材料 的电学性能和结构性能。两者主要 区别 是 系列样品的硅烷浓度（ 为 ， 的温度为 ） 衬底 。而 系列样 品的 为 衬底温度为 ， 。 样品的厚度是通过光学多道分析器测量其透射和反射谱计算而得 ， 由此得到薄膜 的沉积速率 。薄膜 并 的电学特性是通过测量其室温暗电导和光电导来表征 的。样品的激活能是在真空的条件下用 测 试共面铝电极间暗态 电流随温度 的变化而得到 的。样 品的结构 特性方面分别进行 了傅立叶变换红外光谱 （ ）射线衍射（ 、 ） 和微区喇曼光谱 （ 的测试分析研究 。 ） 结果 与讨论 、 两系列样 品的沉积速率与气压 的关 系如图 所示 。从 图中我们可以看 出在我们 的实验条件下 ， 样 品的沉积速率随工作气压 的增大而逐渐增大 ， 这一规律是容易理解的。因为随着腔室 中的反应 气体 的气压 的逐渐增大 ， 可分解 的硅烷物质就多 ， 这样在其它条件确定并优化 的前提下 ， 分解 出的反应前 驱物就逐渐增 多。根据 和 等人的报道 ： 的沉积速率和相应 的反应前驱物成正 比例 。这与我 薄膜 们实验得到的规律是一致的。但是压力过大时 ， 的反应物离子和基 团之间的碰撞就加强 ， 大量 这样会导致它 们之间的聚合 ， 形成高硅烷 物质 ， （ ） 结果使得制备 的薄膜 的质量下降 ， 同时腔室 中也会 生长大量 的 粉尘 。在我们的实验条件下 ， 气压不超过 可 以制备 出性能好的材料来 。 ， 另外 ， 图中我们也可注意到 ： 从 在相同的气压下 ， 系列样品（ 也就是 相对大） 的沉积速率要相对大一 些。这也是可以理解 的， 因为同样的腔室气压 ， 如果 的浓度大 ， 则单位体积内相应 的硅烷就多这样 ， 在 反应时分解的反应前驱物就多， 如上面的分析一样， 相应的薄膜的沉积速率就越大从图中两系歹 洋品的沉 积速率的变化趋势来看 ， 两者也有一定 的区别 。系列样品的总的趋势是逐渐上升 的， 系列样 品则显示 但 出饱和的趋势 。分析原 因知 ： 虽然反应 的源物质 浓度相应地增大 ， 但功率 、 频率等其它条件是确定 的。 实际上反应前驱物的数量也是跟功率 、 频率等工艺参数相关的 ， 也就是说 ： 的功率 、 一定 频率只能分解一定数 量的 虽然 物质很多 ， ， 但分解 出的反应前驱物是有“ 限” 上 的。因此 ， 当超过这一 限度 ， 虽然 分 子在不断地增加 ， 但反应速率则不会随之逐渐增大。 为了分析研究所制备样品的电学特性 ， 我们对样品进行 了光 、 暗电导和激活能的测试 （ 具体 的结果如图 。从 图中我们可 以看 出， ） 当气压低于 时 ， 的材料虽然 晶化很好 （ ， 制备 图 ）但光敏性则不大 。当气压 大于 时， 样品的光敏性增至 个数量级。此时， 单从光敏性上来说： 当气压大于 得到的是 时， 性能较好的适合于做微晶硅 电池的 层材料 。 通常好的本征微 晶硅材料 的激活能要大于 引 而在我们实验中得到样品的激活能要小（ 。我 ， 图 ） 维普资讯 人 工 晶 体 学 报 第 卷 】 ， 署窜 台口 召 冒 口 目 固 导昌 图 样品的沉积速率随气压的变化 ） 鲫 图 系列样品的激活能和光敏性随气压的变化情况 唱 ， 们知道影响材料激活能的很大一个原因是材料中的氧的含量 。在本底真空尽可能高和腔室放气率尽可能低 的情况下 ， 采用微量的硼掺杂和气体纯化器可以减小材料 中氧的含量 。本实验中材料 的生长只用 和 作为反应气体， 没有采用微量硼掺杂和气体纯化器。结果制备的材料激活能相对小， 相信采用上述方 法后， 材料的性能会有所改善。 总之 ， 从我们 的实验结果中可 以得 出 ： 光敏性和激活能有着相 同的变化规律 ， 即低气压下光敏性 和激活 能都小 ， 而在高气压下光敏性和激活能相应 的都大一些。这里可能的原因是 ： 的气压下沉积速率 大， 高 相应 的氧的进入的几率低 ， 结果样品的激活能就相对 的大一些 。 为了确定沉积薄膜 的硅氢键的键 和方式。我们对气压为 样品做 了一下傅立叶变换红外测试 分析 研究 。具体 的结果如图 所示。从 图中我们可以看到样 品的 伸展模 的红外吸收峰从常规的 一 处蓝移到 一 。这一蓝移与材料 中的微 晶相有关 。因此 ， 从伸展模 红外吸收峰的蓝移 ， 可确定 材 我们 料 中微晶成分 占有一定 的比例。另外 ， 从图中也可注意到 键 的摇摆模的吸收峰的峰位在 卜 。 此峰介于典型的非晶硅 的 摇摆模 的吸收峰 （ 和晶体硅 的吸收 峰（ 卜 ） 咖 ） 之间。因此 ， 从 键 的摇摆模 的吸 收峰也可 判断 出材 料 中的微 晶 占有很 大的 比例。另外 ， 卜 图中两 个位于 和 的吸收峰分别对应 （ ） 曲模和关于氧 的伸展模的吸收峰。 弯 图 气压为 样品的红外吸收谱 呷 图 气压为 样品的 射线衍射谱 为了确定沉积薄膜的晶化程度 ， 我们对制备 的 系列样品做 了 射线衍射 （ ） 的测试分析研究 。图 给出了气压为 品的 射线 衍射 图。从 图 中我们 可 以看 出沉积薄膜 具有三个 晶 向， 样 分别 对应为 （）（ （） 、 ）。相应的峰值所对应的角度为 、 。 。 和 。在此射线衍射图中， 。 我们可以 明显地看出此样 品的择优取向为（ ） 方向。利用 公 式 ， 对制备薄膜三个 晶向的晶粒尺寸做 维普资讯 箜塑 张晓丹等： 气压对 制备的 ： 薄膜特性影响的研究 了计算 ， 具体为 、和 ， 分别对应着 （） （ ） 晶向。 、 和（） 另外 ， 们 对样 品 做 了微 区喇 曼 研 究。具 体 如 图 所 示 。从 图 中我 们 可 看 出 薄 膜 的 峰 主 要 在 我 一。我们知道 ， 非晶硅薄膜材料的类横光学模式 （ 模 ） 类 的峰在 一处 ， 而晶体硅 的喇曼散射 峰在 处 。因此 ， 从谱图中我们可 以看 出样 品微 晶化特征 。因此从上面材料 的电学性能和结构性能 分析 中我们知道 ： 我们制备出了相对较好的微 晶硅材料。 堇 鲁 眉 、 矗 岂 萝 墨 童 卯 ， 图 系列样品的喇曼散射谱 图 系列样品的激活能和光敏性随气压有变化 奄口 嗣 扫！ 口 图 给出了 系列样品的光敏性 和激活能随工作气 压的关系。从 图 中我们可 以看 出， 当气 压为 时 ， 的光敏性为 ， 相应 此数量级表 明样 品不是非晶硅 ， 但接近非 晶硅材料 （ 晶硅材料 的光敏性在 非 以上 ）也就是说样品 中含有一定 的晶体成分（ 也证明） ， 图 。当气 压增 至 时 ， 品的光敏性快速降到 样 ， 然后随气压的增大又逐渐的增加到 。从上面得出的实验结果我们可 以知道 ： 气压对样 品的电学 性能影响很大。另外 ， 我们也 可注意到激活能 的变化 。气 压为 光 敏性 最大时 ， 活能也大 （ 。 激 ） 当气压为 时光敏性为最小 ， 激活能也最小 （ ） 。然后随气压 的增大相应的光敏性 和激活能都增 大， 也就是说随着气压 的变化 ： 光敏性和激活能也有着相同的变化规律。 总之 ， 系列样 品的光敏性和激活能 随气 压的变化 关系我们可 以初步推知 ： 从 在温度为 ，为 的条件下 ， 的条件下得到的是相对较好的微 晶硅材料（ 激活能为 光敏性为 ， ， ）而气压 为 时是非晶 晶过渡区接近微 晶一侧 的过渡区材料（ 微 激活能为 光敏性为 。 ， ） 图 系列样 品的喇曼谱 系列样 品的微 区喇曼谱如图 所示 。从 图中可以明显看 出材料结构随气压的变化 。 时喇曼谱峰 在 ， 处 相对于非晶硅 的类 的峰位 模 发生 了频移 。此结果也证 明了材料不是纯非晶硅 ， 而 是趋于微晶化（ 此规律从激活能和光敏性方 面也都 可以证 明） 。而 和 时样品的喇曼谱峰在 维普资讯 人 工 晶 体 学 报 第 卷 处， 接近于晶体硅的峰位 。此时， 说明材料已明显地微晶化 。当气压达到 ， 时 此时喇 曼谱峰位在 。相对于晶体硅的峰位 处有很大程度的偏移 ， 此样品中微晶也占有很大的 比例。从上面的喇曼谱的分析可以看 出： 的条件下得到的是相对较好 的微 晶硅材料 ， 和 而气压为 时是非 晶 微晶过渡区材料 中接近微晶一侧的过渡区材料 。 另外 ， 我们从图 中可 以明显看 出： 和 在相同的气压条件下 ， 其它工艺条件 比如温度、的少许变化 会导致样品具有截然不同的微结构。而且 ， 电学方面的测试分析研究 （ 光敏性和激活能） 也证实了这一点。 因此 ， 在具体优化微 晶硅材料的生长条件时， 一定要做更加细微的研究 。 对于 系列优化 出来 的样品 （ ） 应用 于电池 上我们 已经制备 出 了效 率达 ， 电流密度 为 开路 电压 为 填充 因子为 的微晶硅电池 。下一步将 ， ， 系列 中优化出的 和 的样品条件应用于电池上做进一步深层次研究 。 结 论 本文研究 了用 方法沉积的不同工作气压的硅薄膜。样品的厚度测试结果表明： 沉积速率随 反应气压的增大而逐渐增加； 光敏性 和激活能测试 结果 给出了相 同的变化规律 ； 傅立叶变换红外测试和 射线衍射结果