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。

镶嵌纳米晶硅的氧化硅薄膜微观结构调整及其光吸收特性

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)技术在不同N_2O流量条件下制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的富硅氧化硅(SiOx)薄膜,利用透射电镜(TEM),X射线衍射分析(XRD),傅里叶变换红外(FTIR)和透射光谱技术研究了薄膜中的氢含量和氧含量变化及其对薄膜晶化度、薄膜键合结构和光吸收特性的影响。结果表明,薄膜由nc-Si粒子和非晶SiOx组成,为混合相结构。nc-Si的生长与氧化反应的竞争决定了薄膜微观结构、键合特性以及光吸收特性。随着N_2O流量的增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐减小。晶界区过渡晶硅的比例减少,晶粒界面随之消失,带隙呈持续增加趋势。该实验结果为ncSi/SiOx薄膜在新型太阳电池中的应用提供了基础数据。

氧化硅中纳米晶硅薄膜的低温沉积及其键合特性研究

以Ar和H2为溅射气体,采用Si和SiO2双靶活性溅射技术实现了镶嵌纳米晶硅(nc-Si)的富硅氧化硅(SiOx)薄膜的300℃低温生长,并分析了氢气掺入对薄膜微观结构及键合特性的影响。结果表明,氢气流量比的增加导致纳米硅粒子尺寸增加,而生长速率逐渐减小。薄膜中Si-O键合结构以Si(O4)键为主,随H2流量比的增加,Si-O4-nSin(n=0,1)键密度减小,Si-O4-nSin(n=2,3)和SiH2键密度持续增加,而所对应Si-H键密度呈现先减小后增加趋势,该结果可解释为等离子体内氢原子对反应前驱物中氧的去除效应增强和氢原子与表面氧的解吸附反应几率的增加。

低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究

采用射频磁控溅射镀膜系统,在玻璃衬底上制备了非晶硅(α-Si)/铝(Al)复合薄膜,结合氮气(N2)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(nc-Si)薄膜;利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明:300℃,25min光热退火可使α-Si/Al膜晶化为纳米晶硅薄膜,晶化率为15.56%,晶粒尺寸为1.75nm;退火温度从300℃逐渐升高到400℃,纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加,表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小;退火温度从400℃逐渐升高到500℃,纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加,带隙则逐渐降低;采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性,其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。

晶粒尺寸分布对纳米晶硅薄膜喇曼散射谱的影响

用热丝助化学汽相反应法沉积了nc－Si：H薄膜，测量了它的喇曼散射谱，由透射电子显微镜直接测量了晶粒的大小和分布．应用声子强限制模型和球形粒子假设，并考虑到纳米晶粒的分布对样品的喇曼散射谱进行了拟合．结果表明，在考虑到纳米粒子的尺寸分布后，采用指数权重函数比采用高斯型权重函数更接近于实验测量的喇曼谱．

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。

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。

镍诱导纳米晶硅薄膜的生长

采用磁控溅射方法制备了含镍过渡层的富纳米晶硅二氧化硅薄膜.对薄膜退火后的微观结构和发光性能进行了试验分析.结果表明,在高温退火后,有Ni过渡层的富纳米晶硅薄膜较没有Ni过渡层的薄膜具有更高的纳米晶硅密度和更强的室温光致发光强度.对试验结果进行热力学分析后,认为NiSi2作为纳米晶硅的形核中心诱导了薄膜的分相和纳米晶硅生长.

激发频率对纳米晶硅薄膜晶化特性的影响

为制备高质量的纳米晶硅薄膜,采用等离子体化学气相沉积方法,以硅烷、高纯氢为源气体,氢稀释率保持在98%,衬底温度200℃,反应气压100 Pa,沉积时间60 min,在射频频率分别为13.56、54.24 MHz下合成了纳米晶硅薄膜。利用Raman光谱和X射线衍射技术分析了样品,结果表明,高激发频率可促进薄膜从非晶硅到纳米晶硅的转化,有利于提高薄膜的晶化率,且晶粒具有各种晶体取向,没有出现择优生长。当激发频率从13.56 MHz升高到54.24 MHz时,晶化率相应从9%提高到72%。

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。

激光诱导化学气相沉积法制备纳米晶硅的制备参数和退火工艺的研究

用CO2 红外激光诱导化学气相沉积的方法制备纳米Si,激光强度越大 ,则SiH4受热温度越高 ,纳米Si的成核率越高 ,纳米Si核的密度越大 ,每一个核生长所吸收的Si原子数目越少 ,从而所得的纳米Si粒小而均匀。当激光强度减小到一个低限阈值 ,则SiH4温度太低 ,不能裂解。SiH4的流速越快 ,则纳米Si成核后生长期越短 ,纳米Si粒也小而均匀。当SiH4流速快到一个高限阈值 ,则SiH4受热时间太短 ,升不到裂解所需的高温。以上 2个产生纳米Si的阈值正相关。纳米Si制取后退火脱H ,344 0cm-1光谱带红移并增强 ,2 15 0cm-1光谱带形状变化 ,110 0cm-1光谱带由低频处蓝移而来并展宽。这都表明含O键在纳米Si很大的表面上出现。为了减轻含O键出现 ,纳米Si应在Ar气氛中而不是在空气中 ,从低于 30

非均匀的纳米晶硅(nc-Si)薄膜的横向热伏效应

采用磁控溅射技术在石英衬底上沉积1层200nm厚的非晶硅(a-Si)薄膜,并用真空热蒸发在其上沉积两个横向接触的厚度不同(分别为50和100nm)的Al膜。将已沉积好的薄膜在N2气氛中600℃下退火45min,得到两个横向接触的具有不同晶化程度的纳米晶硅(nc-Si)薄膜。利用X射线衍射(XRD)、Raman光谱、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了所制备样品的结构特性。由较厚Al膜诱导的nc-Si薄膜的Si晶粒平均尺寸为25nm,晶化率为56%;由较薄Al膜诱导的nc-Si薄膜的Si晶粒平均尺寸为15nm,晶化率为23%。实验发现在没有温度梯度的情况下,这两个不同晶化程度的nc-Si薄膜之间具有横向热伏效应。温度为273K时,其开路电压为1.2mV,短路电流为40nA;当温度达到373K时,其开路电压达到25mV,短路电流达到1.171μA。

一种新型半导体材料──纳米晶硅

一种新型半导体材料──纳米晶硅李建军，魏希文，万明芳（大连理工大学半导体研究室１１６０２３）一、引言继非晶硅、多晶硅、微晶硅之后，纳米晶硅是近几年发展起来的又一种新型半导体材料。纳米固体材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料，由１～１５...