微晶硅薄膜材料的沉積以及微結(jié)構(gòu)與光電特性的研究
采用射頻等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)技術(shù)，在較高的射頻功率和沉積氣壓條件下，通過改變硅烷濃度和襯底溫度等參數(shù)，以Corning7059玻璃為襯底制備微晶硅薄膜材料。通過拉曼光譜和光暗電導(dǎo)的測試等方法對薄膜特性進(jìn)行了表征，研究了沉積參數(shù)對微晶硅薄膜材料的微結(jié)構(gòu)以及光電特性的影響，并討論了它們的相關(guān)性。解釋了結(jié)構(gòu)與光電特性的變化規(guī)律，以表面擴(kuò)散的機(jī)理討論了結(jié)晶過程。實(shí)驗(yàn)表明，硅烷濃度和襯底溫度這兩個(gè)參數(shù)對于微晶硅薄膜材料的微結(jié)構(gòu)及其光電特性具有重要影響，而且參數(shù)之間存在匹配關(guān)系。
氫化微晶硅由于其良好的光電特性，被廣泛地應(yīng)用于太陽能電池，薄膜晶體管，以及光電傳感器等光電子領(lǐng)域。目前制備微晶硅薄膜材料主要通過射頻等離子體化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)，甚高頻化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD)以及熱絲氣相沉積(HWCVD)等技術(shù)在氫稀釋條件下分解硅烷的方法得到，它們各自擁有自身的優(yōu)勢。不過相對于在工業(yè)上，RF-PECVD技術(shù)更為成熟。微晶硅屬于間接帶隙材料，因而在太陽光譜的可見光部分的吸收系數(shù)相對較低，這就需要一定厚度的微晶硅層來獲得充足的光吸收。但是用傳統(tǒng)RF-PECVD方法制備微晶硅的沉積速率較小、重復(fù)性差。人們在改變制備方法的同時(shí)，也在不斷追求在其工藝上的改良，比方說在PECVD工藝中高壓耗盡方法的提出較好地解決了微晶硅薄膜材料的沉積速率小的問題。但是微晶硅材料作為一種硅的微晶粒鑲嵌于非晶硅基質(zhì)中的兩相結(jié)構(gòu)材料，其光電性質(zhì)依賴于其微結(jié)構(gòu)，而微結(jié)構(gòu)又依賴于其沉積參數(shù)及其相互匹配。在制備器件質(zhì)量級的微晶硅材料時(shí)，人們更多的采取正交試驗(yàn)的方法，擇優(yōu)參數(shù)，依次的優(yōu)化，往往有些參數(shù)直接被否決。
因此，本文采用RF-PECVD技術(shù)，在較高的射頻功率和沉積氣壓條件下，通過改變硅烷濃度和襯底溫度等參數(shù)，制備微晶硅薄膜材料。研究了沉積參數(shù)對微晶硅薄膜材料的微結(jié)構(gòu)以及光電特性的影響，并研究了它們光電特性及其相關(guān)性。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)所使用的是射頻(13156Hz)PECVD技術(shù)制備微晶硅薄膜材料。射頻的功率為130W，電極間距為2.5cm，沉積氣壓為3.99×102Pa，襯底為corning7059玻璃，氣體總流量為100ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。在襯底溫度為200℃的條件下，硅烷濃度為0.6%~2.5%的范圍內(nèi)制備了一系列的樣品，了解硅烷濃度對微晶硅薄膜材料微結(jié)構(gòu)及其光電特性的影響。在選定硅烷濃度為1.2%的條件下，改變襯底溫度(100~350℃)制備了另外一組樣品，了解雙參數(shù)的改變對微晶硅薄膜材料微結(jié)構(gòu)及其生長的調(diào)配作用。
通過拉曼光譜儀(JOBINYVONU1000)來表征材料晶相的改變。使用分光光度計(jì)(日本島津UV-2550)測量微晶硅薄膜的厚度，并且通過TAUC公式外推法估算出薄膜材料的光學(xué)帶隙寬度。使用Keithley617測量薄膜材料的光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)。使用掃描電鏡(SEM，日立SU8010)測量薄膜材料的表面形貌和微結(jié)構(gòu)。
2、結(jié)果與討論
利用RF-PECVD制備微晶硅薄膜材料，硅烷濃度(或氫稀釋度)是一個(gè)十分重要的參數(shù)。圖1所示為不同硅烷濃度下，一系列微晶硅薄膜樣品的拉曼光譜。從圖1中可以看到，在130W的較高功率和3.99×102Pa的沉積氣壓的條件下，硅烷濃度對微晶硅薄膜材料的微結(jié)構(gòu)從微晶相向非晶相轉(zhuǎn)變的用十分敏感。隨著濃度的提高，樣品在520cm-1處的晶體硅的特征峰在消失，且整體的峰位在向左移，最后在480cm-1出現(xiàn)了硅非晶相的典型峰。這說明隨著硅烷濃度的增加，樣品的晶化率逐漸降低，平均的晶粒尺寸減小。
圖1 硅烷濃度變化的拉曼光譜
在上述系列樣品中，固定硅烷濃度為1.2%，在其它沉積參數(shù)不變的條件下，通過改變襯底溫度這一參數(shù)，制備了以溫度為變量的系列硅薄膜材料。圖2所示為不同襯底溫度下制備的硅薄膜材料樣品的拉曼散射譜。從中可以看到，提高襯底溫度，微晶硅薄膜的晶化率也相應(yīng)地提高，結(jié)晶度變好。
圖2 襯底溫度變化的拉曼光譜
3、結(jié)論
實(shí)驗(yàn)利用RF-PECVD技術(shù)制備了微晶硅薄膜材料。在高射頻功率、高沉積氣壓、小氣體流量的條件下，通過調(diào)配硅烷濃度與襯底溫度，發(fā)現(xiàn)硅烷濃度對微晶硅薄膜材料制備的影響十分敏感，襯底溫度間接影響表面的化學(xué)反應(yīng)，它們之間存在著一定的匹配條件，這樣通過RF-PECVD制備的微晶硅薄膜材料就容易晶化。提高硅烷濃度能夠明顯提高薄膜的沉積速率，而硅烷濃度間接影響著生長表面的擴(kuò)散系數(shù)，需要改變襯底溫度使反應(yīng)表面的活性和成膜基團(tuán)的擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到平衡。同時(shí)能夠看到微晶硅薄膜材料的光學(xué)帶隙與晶化率有著相反的對應(yīng)關(guān)系，而材料的電導(dǎo)率與晶化的變化情況相似。
