热丝化学气相沉积法制备多晶硅薄膜材料.doc
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1、目 录摘要1关键词1一、引言 1二、实验 2三、结果与讨论 2(一)、薄膜的制备 2(1)积气压对硅薄膜质量的影响 2(2)比例对薄膜成分的影响 3(二)晶硅薄膜的制备4(1)丝温度对薄膜晶相的影响 4(2)SiH4流量对成膜质量的影响6(三)沉积机制的探讨7四、结论7参考文献 9致谢 10 全文共 10 页 6146 字热丝化学气相沉积法制备多晶硅薄膜材料巴彦同拉嘎 (学号:20102102949)(物理与电子信息学院 物理学专业10级蒙班,内蒙古呼和浩特 010022 )指导教师:松林摘 要 系统地研究了热丝化学气相沉积技术中沉积气压、气体流量、钨丝温度、衬底温度对硅薄膜的结构、生长速率和
2、光电性能的影响。通过优化各工艺参数,成功地制备出光暗电导比达104的非晶硅薄膜和晶粒尺寸达微米量级的晶相良好的多晶硅薄膜。关键词 热丝法;非晶硅薄膜;多晶硅薄膜一 引言等离子体增强化学气相淀积(PECVD) 法是目前常规的非晶硅薄膜制备方法。此法制备的氢化非晶硅薄膜(a-SiH) 具有隙态密度低的优点, 适于制作太阳电池和其它电子器件。但此法制备的氢化非晶硅薄膜含氢量高。与此相关联, 材料普遍存在严重的光致衰退特性。这就阻碍了它的进一步应用。以此种工艺制造的非晶硅太阳电池的光伏性能也就存在严重的光致衰退问题。缓解或克服非晶硅太阳电池的光致衰退特性造成的不稳定性有两条途径: 一是从结构上入手,
3、采用迭层多结结构太阳电池, 减薄i 层厚度, 增加内建漂移场强, 减少光生载流子的缺陷中心复合损失, 从而减少器件性能的衰减系数, 提高稳定化效率; 二是从改进材料本身的性质入手, 采用新的薄膜制备方法来改善薄膜的稳定性,从而改善甚至消除太阳电池的不稳定性。这后一条途径更具有根本性。目前世界上普遍采用的新的薄膜制备方法有热丝法、PECVD 高氢稀释法、卤代硅烷沉积法等。热丝法, 系指SiH4 气体通过高温钨丝催化分解, 在衬底上形成硅薄膜的一种真空薄膜制备方法。相对于传统的PECVD 法 热丝法具有以下优点: 1) 生长出的薄膜结构好, 更均匀有序, 在保证良好的电子特性的同时, 氢含量低,光
4、致衰性很小, 稳定性高1,2; 2) 薄膜生长速率高3; 3) 工艺、设备简单, 保留了非晶硅工艺低成本的优点; 4) 可避免辉光放电方法中离子对生长表面的损伤; 5) 高温钨丝可使硅烷充分分解, 有利于降低薄膜制备成本。用热丝法还能制备出多晶硅薄膜4,5。相对于传统的多晶硅薄膜的制备方法低压CVD 法, 此法具有衬底温度低(小于500 , 低压CVD 法衬底温度必须大于600) 的优点, 因而可采用廉价衬底。多晶硅薄膜太阳电池也是目前太阳电池领域里的研究热点。本文主要报道了HWCVD 技术中各参量对硅薄膜的结构、生长速率、光电特性的影响, 制备稳定非晶硅薄膜和优质多晶硅薄膜的优化参数以及沉积
5、机制的初步探讨。二 实验为有利于反应室内气流的稳定与薄膜的均匀性, 沉积系统采用气流、钨丝及衬底相互平行的直立结构。高温激发用热丝采用直径0.2 mm , 长12cm 的钨丝。钨丝温度用光学高温计测量。通过改变加在钨丝两端的电压控制钨丝温度。样品与钨丝距离为3cm。样品温度由与衬底接触的热电偶测定。衬底的基础温度由炉体加热器提供。为防止沉积过程中钨丝挥发可能带来的污染, 钨丝初次使用前在2000的高温下通入30cm3/min的氢气处理30min,沉积实验前也通入30 cm3/min氢气10min 处理玻璃表面。沉积系统的背景真空度为10-3Pa。硅烷和氢气混合气体被高温钨丝分解后扩散到衬底表面
6、反应, 生成硅薄膜。衬底为浮法玻璃。通过研究各工艺参数钨丝温度(Tf)、衬底温度(Ts)、气流流量(F1)、沉积气压(P)对硅薄膜的结构与光电特性的影响来优化工艺参数, 制备优质的非晶硅薄膜和多晶硅薄膜。沉积参数变化范围:热丝温度14001900,衬底温度200500,硅烷流量240 cm3/min,氢气流量090cm3/min,气压0.590Pa。薄膜的组分和结构性质由X射线衍射谱、Raman散射谱及扫描电镜来描述。通过测量透射光谱,光电导及暗电导比来了解硅薄膜的光电特性。电导测量中采用一对共面铝电极,电极长20mm,电极间距1mm。三 结果与讨论(一)薄膜的制备(1)积气压对硅薄膜质量的影
7、响本组实验中,热丝温度Tf =1900,衬底温度Ts= 240 。硅烷流量为20cm3/min, 通过改变真空系统的抽气速率来调节气压。测得各样品数据见表1。样品号123456P/Pa0.5110305090d/nm911.8767.92283.72317.86146.84909.4r/nms-111.5071.2703.6253.7268.75612.0Eg/eV1.671.7381.5531.4751.4961.352表1 沉积气压对非晶硅薄膜生长速率、光电性能的影响表中P 为气压, d 为薄膜厚度, Eg为a-Si 材料的带隙宽度, 通过分析透射曲线, 引用Tauc 公式得到; r 为平
8、均淀积速率, 以薄膜厚度除以沉积时间得出。p 、d 、p/d 分别为光电导率、暗电导率和光/ 暗电导比。由表1 可看出, 随着反应气压的升高, 生长速率先降低, 后升高, 在P = 1 Pa 时有一极小值, 规律非常明显。常规PECVD 法淀积a-Si 薄膜的生长速率为0.11 nm/ s , 热丝法生长速率比PECVD 法要高近一个数量级。随着反应气压的升高, 带隙宽度先上升, 后下降, 和生长速率的变化规律相似, 在P = 1 Pa 时有一极值, 是极大值,Eg max = 1. 738 eV , 为典型的非晶硅的Eg值。随着反应气压的升高, 光电导先上升, 后下降, 在P = 1 Pa
9、时有极大值, 暗电导变化无明显规律; 但光暗电导比变化规律明显, 也是先上升后下降, 在P = 1 Pa 处有极大值p/d = 104 。这里热丝法生长a-Si薄膜的光暗电导比比常规的PECVD 法生长的a-SiH 薄膜低。其原因可能是由于热丝污染或有少量的晶体相混合。由上可知, 反应速率和带隙宽度有相反的变化规律, 反应速率下降, 带隙宽度上升, 同时光暗电导比上升,薄膜光电性能变好。最佳沉积气压值为P = 1 Pa 。由X射线衍射谱(如图1) 可知, P = 1 Pa 时制得的硅薄膜为纯非晶薄膜, 无晶体成分。图1 典型非晶硅薄膜样品X射线衍射谱(2)比例对薄膜成分的影响当Tf = 180
10、0 , Ts = 240 , 硅烷流量为5 cm3/min 时, 测得的各样品数据列于表2 中。由表2 可看出, 随氢气流量的增大, 薄膜生长速率先下降, 后上升, 但变化不大, 基本保持在2nm/ s 左右。Eg值变化不大, 在116 eV 左右变动,无明显规律。光电导先上升后下降, 在氢气流量为50 cm3/ min 时有一极小值, 光暗电导比在1 103左右, 无大的变动, 亦无明显规律。因硅烷流量不变, 改变氢气流量时光电性能无明显变化。样品号氢气流量/cm3min-1P/pad/mmr/mm s-1Eg/eVQp/cm-1Qd/m-1Qp/Qd130323937.621.731.62
11、09.547*10-73.567*10-102.676*103250392889.1161.5911.419*10-61.404*10-91.010*102370602935.716.171.6448.580*10-71.091*10-97.864*102490702468.018.61.6247.202*10-73.827*10-101.882*103表2 掺氢比例对薄膜生长速率、光电性能的影响由X射线衍射谱(如图2) 可知, 即使氢气流量为90 cm3/ min , 薄膜结构仍为非晶硅, 而无晶相结构。由表2 可知, 在硅烷中掺入氢气, 制得的硅薄膜质量不如纯硅烷。欲制备非晶硅薄膜, 采用
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- 化学 沉积 法制 多晶 薄膜 材料
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