金属诱导制备纳米晶硅薄膜的研究进展

纳米晶硅是纳米尺度无定形态的硅晶粒,具备体硅所不具有的新颖光电性能,具有显著的量子限域效应,是发光半导体、光伏发电等领域中的关键材料。实验上,非晶硅通过气氛退火获得晶化的纳米晶硅,本质上破坏了非晶硅中的Si-Si共价键,局域生核形成纳米晶硅,因此,晶化温度近达1000℃,晶化时间长达数小时。金属诱导法通过金属与非晶硅直接接触,促使Si与金属在400~600℃的低温条件下形成离子键,弱化了界面处的Si-Si键,为纳米晶硅提供成核位点,有效降低了纳米晶硅的晶化温度并缩短晶化时间。同时,不同诱导金属(如Ni、Pt、Pd、Cu、Au、Al和Ag)与界面处Si原子的结合方式不同,诱导非晶硅晶化的机制和晶化效果不同。基于此,本文归纳汇总了Ni、Al、Cu、Au、Co几种常见金属以及Ag-Cu和Ni-Cu两种合金诱导a-Si晶化的诱导机制、诱导特征及晶化条件,可为纳米晶硅薄膜的制备工艺提供有益参考。

氢稀释对纳米晶硅薄膜微结构的影响

采用电感耦合等离子体化学气相沉积技术制备了氢化纳米硅薄膜,利用Raman散射、X射线衍射、红外吸收等技术对不同氢稀释条件下薄膜的微观结构和键合特性变化进行了研究。结果表明,较高的氢稀释比导致薄膜从非晶硅到纳米晶硅的结构转化,随着氢稀释比的增加,所沉积薄膜的晶化度及纳米晶硅的晶粒尺寸单调增加,纳米硅颗粒呈现在(110)方向的择优生长趋势。键合特性分析显示,随氢稀释比增加,薄膜中整体键合氢含量减小,而SiH2键合比例呈现显著增加趋势,该结果反映了氢原子刻蚀和纳米硅界面面积比的同时增强。光学吸收谱分析表明,通过改变反应气体的氢稀释比,可实现从1.72～1.84eV光学带隙可调的纳米硅薄膜制备。

氢稀释对纳米晶硅薄膜晶化特性的影响及薄膜生长机理

以SiH4与H2作为前驱气体,采用射频等离子增强化学气相沉积技术制备了纳米晶硅薄膜.利用Raman散射和红外吸收光谱等技术,对不同氢稀释比条件下薄膜的微观结构和键合特性进行了研究.结果表明,随着氢稀释比增加,薄膜的晶化率明显提高,而氢稀释比过高时,薄膜晶化率呈现减少趋势.红外吸收光谱分析表明,纳米晶硅薄膜中氢的键合模式与薄膜的晶化特性密切相关.随着氢稀释比增加,薄膜中整体氢含量和SiH2键合密度明显减少,而在高氢稀释比条件下,氢稀释比增加导致薄膜中SiH2键合密度和整体氢含量增加.

射频PECVD法高压快速制备纳米晶硅薄膜

采用传统的射频等离子体增强化学气相沉积技术，在较高的工作气压（133～266Pa）下，以0．4nm／s速率制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜。薄膜的晶化率约60％，平均晶粒尺寸约6．0nm，暗电导率为10^-3～10^-4／Ω·cm。红外吸收谱显示，薄膜中没有Si-O、Si-C、Si-N等杂质键，随晶化率的提高，Si-H键也逐渐消失。

衬底温度对低温制备纳米晶硅薄膜的影响

采用传统的射频等离子体增强化学气相沉积技术,在较高的工作气压130Pa和较高的射频功率70W下,在>100℃的低温下,以0.14nm/s速率制备出优质的纳米晶硅薄膜。研究结果表明,薄膜晶化率和沉积速率与衬底温度有密切关系。当衬底温度>100℃,薄膜由非晶相向晶相转化,随着衬底温度的进一步升高,薄膜晶化率增大,当温度为300℃时,薄膜的晶化率达82%,暗电导率为10-4Ω-1.cm-1数量级,激活能为0.31eV。当薄膜晶化后,沉积速率随衬底温度升高而略有增加。

掺磷氢化纳晶硅薄膜的晶粒尺寸和晶格畸变的研究

采用等离子增强化学气相沉积在玻璃衬底上制备了掺磷氢化纳晶硅薄膜,并利用X射线衍射谱(XRD)和拉曼散射谱研究了PH3浓度(GFR=[PH3]/[Si H4])对薄膜平均晶粒尺寸和晶格畸变的影响.结果显示磷弱掺杂有利于晶化,而重掺杂抑制晶化.随着GFR的增大,Si(111)方向上的平均晶粒尺寸呈现出先减小后增大的趋势,而对应的晶格畸变则呈现了相反的变化趋势,小的晶粒尺寸诱导了大的晶格畸变.该结果可归结于与平均晶粒尺寸相关的表面增强效应.在掺磷氢化纳晶硅薄膜的制备过程中,PH起了关键的有效掺杂作用.

用PECVD技术低温低氢稀释快速生长纳米晶硅薄膜的研究

以SiCl4和H2为气源,用等离子体增强化学气相沉积技术,在300℃的低温下,研究不同的氢流量对纳米晶硅薄膜生长特性的影响。实验发现,氢对薄膜生长特性的影响有异于SiH4/H2,在一定功率下,薄膜的晶化率随氢流量的减小而增加;而薄膜的生长速率也强烈依赖于氢流量,随氢流量的减小而增大,与氢流量对薄膜晶化度的变化关系一致。通过调控氢流量,在低氢流量条件下获得了生长速率高达0.35 nm/s,晶化度高达76%的晶化硅薄膜。

利用射频PECVD技术低温制备纳米晶硅薄膜

利用射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术低温制备了氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜.通过优化沉积参数,得到晶粒尺度小于10 nm,晶态体积比为58%的nc-Si:H薄膜.对nc-Si:H薄膜的光电特性进行研究,结果表明,在100 mW/cm2的光照下,nc-Si:H薄膜的光电导率为1.5×10-3Ω-1.cm-1,室温暗电导率为8.4×10-4Ω-1.cm-1,光学带隙为1.46 eV.利用射频PECVD制备的nc-Si:H薄膜具有明显的量子点特征.

纳米晶硅薄膜的量子尺寸效应研究

最近的一些研究指出，纳米晶硅薄膜具有量子点（ＱｕａｎｔｕｍＤｏｔ－Ｑ．Ｄ）特征。本文依据一些典型的理论模型，具体计算了纳米晶硅量子点（ｎｃ－Ｓｉ：ＨＱ．Ｄ）的量子化能级、激子的能量移动以及体系的库仑能量随纳米硅晶粒尺寸的变化，并结合我们自己，初步分析并讨论了这些能量参数对纳米晶硅量子点的共振隧穿、光致发光（ＰＬ）和库仑阻塞的影响。

PECVD法低温制备纳米晶硅薄膜晶化特性的Raman分析

以SiH4与H2为气源,采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,在较低的温度(200℃)和较高的压强(230 Pa)下,在普通的玻璃衬底上制备出沉积速率达8×10-10m/s,晶化率大于60%的纳米晶硅薄膜.利用Raman谱分析硅烷浓度和射频功率对纳米晶硅薄膜的晶化特性的影响.结果表明,薄膜的晶化率、沉积速率与硅烷浓度和射频功率存在着密切的关系.随着硅烷浓度的降低,即氢稀释率的提高,晶化率提高,而沉积速率随着射频功率的增大而增大.当硅烷体积浓度为1%、射频功率为70 W时,获得晶化率接近70%的优质纳米晶硅薄膜.

低温高压快速生长纳米晶硅薄膜中氢的作用

以SiH4/H2为气源,用PECVD沉积技术,在低温(200℃)、高压下(230Pa)下制备出优质纳米晶硅薄膜。研究氢在高速生长纳米晶硅薄膜材料中的作用。实验表明,氢对纳米晶硅薄膜的高速生长起到非常关键的作用。随着氢稀释率由95%提高至99%,薄膜的晶化率由30%增大到70%,晶粒尺寸由3.0nm增大至6.0nm,而沉积速率却由0.8nm/s降低至0.3nm/s。

优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展

纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.

衬底温度对纳米晶硅薄膜微结构的影响

采用传统的射频等离子体增强化学气相沉积技术,在较高的工作气压130 Pa和较高的射频功率70 W下,在高于100℃低温下,以0.14 nm/s速率制备出优质的纳米晶硅薄膜.研究结果表明,衬底温度对薄膜晶化率、表面的粗糙度和沉积速率影响很大.当衬底温度高于100℃时,薄膜由非晶相向晶相转化.随着衬底温度升高,薄膜晶化率提高,沉积速率缓慢增加.当温度超过300℃时,薄膜的晶化率降低,薄膜表面的粗糙度增加,均匀性降低.

晶硅薄膜的制备及其在太阳电池中的实际运用

太阳能光伏发电是一种可以凭借太阳能转化为电能的过程来满足社会化需求,通过此种策略来科学化的利用能源,从而避免对现有的非可再生资源等物质的过渡消耗。文章就从晶硅薄膜的制备方式着手来阐释其中所存在的问题,并提出相应的可行性制备措施,同时,针对基于晶硅薄膜物质的太阳能电池的性能进行剖析,从而总结出科技发展对实际的太阳能电池制备项目的重要意义。

纳米晶硅薄膜中氢含量及键合模式的红外分析

采用传统射频等离子体化学气相沉积技术在100—350℃的衬底温度下高速沉积氢化硅薄膜.傅里叶变换红外光谱和Raman谱的研究表明,纳米晶硅薄膜中的氢含量和硅氢键合模式与薄膜的晶化特性有密切关系,当薄膜从非晶相向晶相转变时,氢的含量减少了一半以上,硅氢键合模式以SiH2为主.随着衬底温度的升高和晶化率的增加,纳米晶硅薄膜中氢的含量以及其结构因子逐渐减少.

氢稀释对高速生长纳米晶硅薄膜晶化特性的影响

以SiH4与H2为气源,采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,在较高的压强(230Pa)下,研究氢稀释率对纳米晶硅薄膜的生长速率和晶化特性的影响.实验表明,薄膜的晶化率,晶粒尺寸随着氢稀释率的提高而增加,当氢稀释率为99%,薄膜的晶化率接近70%.而沉积速率却随着氢稀释率的减小而增加,当氢稀释率从99%减小到95%时,薄膜的沉积速率由0.3nm/s增加至0.8nm/s.

衬底偏压对HWCVD制备纳米晶硅薄膜结晶性的影响

通过在热丝化学气相沉积(HWCVD)制备纳米晶硅薄膜过程中施加衬底偏压,研究衬底偏压对HWCVD制备纳米晶硅薄膜结晶性能的影响。利用拉曼(Raman)光谱,X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对所制备的纳米晶硅薄膜的结构性能进行分析。结果表明,与未施加衬底偏压的薄膜相比,当衬底偏压为-300V时,薄膜的晶化率由42.2%升高至46.2%;当衬底偏压升高至-600V时,晶化率又降至40.6%;未施加衬底偏压与施加-300V偏压的纳米晶硅薄膜表面由长约200nm、宽约100nm的晶粒构成,-600V衬底偏压的薄膜表面晶粒尺寸明显变小,并且出现大量非常细小的晶粒。分析产生上述现象的原因,主要与高温热丝发射电子、电子在电场作用下加速运动并与反应气体、基团碰撞发生能量传递有关。

激光烧蚀制备掺铒纳米硅晶薄膜形貌研究

采用XeCl准分子激光器交替烧蚀单晶硅靶和铒靶, 通过调整辐照两靶的激光脉冲个数比来控制掺铒浓度, 在2×10^-4 Pa真空下沉积制备了掺铒非晶硅薄膜, 经900～1200 ℃热退火实现纳米晶化. 扫描电子显微镜图像显示, 铒掺杂影响着薄膜的表面形貌, 与不掺铒情况相比, 可以得到晶粒尺寸分布更均匀的薄膜, 并且晶化温度更低. 对于一个固定掺铒浓度的样品, 随着退火温度的增加, 薄膜由晶粒结构转化为迷津结构.

用于测辐射热计热敏材料的多晶锗硅薄膜的研究

根据测辐射热计对热敏感材料的要求,采用超高真空化学气相淀积(UHVCVD)法制备出多晶Si0.7Ge0.3薄膜,研究了B离子注入剂量、退火工艺与电导率和电阻温度特性的相关性,因此确定出了最佳的工艺条件,并利用其制备出了探测率高达3.75×108cmHz1/2.W-1的测辐射热计。

反应磁控溅射沉积SiO_x薄膜制备镶嵌在二氧化硅介质中纳米晶硅不可行性研究

用射频磁控溅射法在纯氩气或氩气/氧气混合气体中溅射纯硅靶制备SiOx(x<2)薄膜。X射线光电子谱(XPS)分析证实,射频功率对x值起决定作用。当射频功率低时,所制备的薄膜是化学计量比的SiO2,通过调节氧气分压调节x值非常困难。只有当射频功率较高时,才可以通过调节氧分压调节x值。实验结果证实了射频反应磁控溅射不宜用于制备镶嵌在二氧化硅介质中纳米晶硅(nc-Si/SiO2)的前驱体SiOx膜。文中讨论了相关机制。