PECVD工艺参数对nc-Si∶H膜质量的影响

研究了ＰＥＣＶＤ生长ｎｃＳｉ∶Ｈ膜过程中ＳｉＨ４气体稀释比、平衡反应气压、衬底温度、等离子体射频功率和直流负偏压等各种工艺参数对生成膜层质量的影响。

PECVD生长nc-Si∶H膜的沉积机理分析

nc-Si∶H膜具有显著不同于α-Si∶H与μc-Si∶H膜的新颖结构与物性。从热力学反应的基元过程出发，定性地分析了本征nc-Si∶H与掺磷nc-Si(P)∶H膜的沉积机理。

测试温度对nc-Si∶H膜光致发光特性的影响

利用常规等离子体化学气相沉积（ＰＥＣＶＤ）工艺制备了ｎｃ－Ｓｉ∶Ｈ膜，并对其光致发光（ＰＬ）特性从１０～２５０Ｋ温度范围内进行了变温测量．实验结果指出，随着测试温度升高，ＰＬ峰值能量发生了５４ｍｅＶ的红移，ＰＬ强度在Ｔ＞８０Ｋ后呈指数下降趋势．ＰＬ峰值能量的红移起因于带隙的收缩，而ＰＬ强度的减弱则是由于非辐射复合起了主导作用．

硼掺杂对用于SHJ太阳电池的nc-Si∶H薄膜微结构的影响

采用RF-PECVD法在低温低功率密度下制备了p型nc-Si∶H薄膜,并系统地研究了硼掺杂对薄膜微结构及光电性能的影响。结果表明:由于"硼掺杂效应",随着掺硼比的增大,nc-Si∶H薄膜的晶化率逐渐降低,晶粒尺寸减小,薄膜的择优取向由[111]变为[220];光学带隙逐渐减小,电导率则先升后降;本实验中薄膜的最优掺杂比为0.3%。以优化后的p型nc-Si∶H薄膜做窗口层,SHJ太阳电池的性能得到明显改善,获得了效率为14.1%的电池。

nc-Si∶H薄膜的制备及特性表征

利用等离子体化学气相沉积技术制备纳米硅(nc-Si∶H)薄膜材料,并用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、Raman光谱仪对成膜的状态进行了表征。用红外吸收光谱仪对不同工艺薄膜的结构进行了分析,研究了偏压对薄膜结构的影响,为纳米硅薄膜在光电子方面的应用提供可靠的依据。

衬底温度对nc-Si:H薄膜微结构和氢键合特征的影响

采用射频等离子体增强型化学气相沉积(RF-PECVD)技术,以H2和SiH4作为反应气体源,在不同的衬底温度下沉积了nc-Si∶H薄膜。采用Raman散射、X射线衍射、红外吸收等技术分析了薄膜的微结构和氢键合特征。结果表明,随衬底温度的升高,nc-Si∶H薄膜的沉积速率不断增大,晶化率和晶粒尺寸增加,纳米硅颗粒呈现出Si(111)晶面的择优生长趋势。键合特性显示,薄膜中的氢含量随衬底温度升高而逐渐减小,薄膜均匀性先增大后减小。

(p)nc-Si∶H/(n)c-Si异质结变容二极管

采用等离子体增强化学气相沉积技术和电子束蒸发技术制备了一种新型的线性缓变异质结变容二极管———Au/Cr合金(电极)/multi-layer(p)nc-Si∶H/(n)c-Si/(电极)Au/Ge合金结构.I V,C V,C f以及DLTS的测试结果表明:其电容变化系数远大于单晶硅线性缓变异质结的电容变化系数,正向导电机制符合隧穿辅助辐射复合模型,这是nc-Si∶H层中nc-Si晶粒的量子效应所致;反向电流主要由异质结中空间电荷区的产生电流决定,且反向漏电流小,反向击穿电压高,表现出较好的整流特性.

氢稀释对nc-Si∶H薄膜结构和光致发光的影响

基于X射线衍射仪、喇曼散射、光致发光(PL)和傅里叶红外吸收光谱等技术,详细研究了氢稀释比对纳米晶硅(nc-Si∶H)薄膜结构和光致发光性能的影响。随着氢稀释比的增加,所沉积薄膜的纳米晶硅尺寸单调减小,而晶化率提高。键合结构分析表明,随着氢稀释比增加,nc-Si∶H薄膜中氢含量和Si—H键密度均减小。综合在不同氢稀释比下纳米晶硅尺寸变化、PL峰位移动及PL峰强度变化等特征,nc-Si∶H室温PL光谱被归因于纳米晶硅的量子限制效应。当氢稀释比由96%增大至97%时,氢的钝化作用使PL峰强度升高;当进一步增加氢稀释比至98.5%时,由于H2的生成,使氢的钝化效果显著降低,导致PL峰强度降低。

掺磷nc-Si∶H薄膜的微结构与光电特性

采用常规射频等离子体增强化学气相沉积方法,以高氢稀释的Si H4为源气体和以PH3为掺杂剂,制备了磷掺杂的氢化纳米晶硅薄膜。结果表明,薄膜的生长速率随PH3/Si H4流量比（Cp）增加而显著减小。Raman谱的研究证实,随Cp增加,薄膜的晶化率经历了先增大后减小的过程,当Cp=1.0%,晶化率达到最大值45.9%。傅里叶变换红外吸收谱测量结果显示,薄膜中的H含量在Cp=2.0%时达到最低值9.5%。光学测量结果表明,本征和掺P的氢化纳米晶硅薄膜在可见光谱范围呈现出良好的光吸收特性,在0.8~3.0 e V范围内,nc-Si（P）∶H薄膜的吸收系数显著大于c-Si。和α-Si∶H薄膜相比,虽然短波范围的吸收系数较低,但是在hν〈1.7 e V区域,nc-Si（P）∶H薄膜的吸收系数要高两到三个量级,显示出优良的红光响应。电学测量表明,适当掺P会显著提高氢化纳米晶硅薄膜的暗电导率,当Cp=0.5%时,薄膜的暗电导率可达5.4 S·cm-1。

磁过滤阴极真空弧法制备纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜

采用磁过滤阴极真空弧法,以C2H2和N2混合气体为反应气体在单晶硅上沉积纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜的能谱仪(SEM-EDS)和X射线电子能谱(XPS)研究了薄膜的成分和结构.实验结果表明薄膜结构是由ZrCN晶粒镶嵌在无定形碳和碳氮化合物基体中;膜中的化合键主要以Zr—C,C C(sp2)和C—C(sp3)形式存在;随着混合气体流量的增加,薄膜的锆原子分数减小,而N和C的原子分数逐渐增大.

纳米硅薄膜制备及HIT太阳能电池

在较高工作气压（332.5-399Pa）下,采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备了优质的本征纳米硅薄膜及掺磷的纳米硅薄膜,并采用X射线衍射（XRD）、拉曼散射（Raman）测试技术对其进行了测试和分析。结果表明纳米硅薄膜的XRD谱中存在（111）（、220）和（331）峰位;Raman谱中显示出其薄膜中的晶粒的大小（2-5nm）符合纳米晶的要求。将制备的纳米硅薄膜初步用于栅极/ITO/n-nc-Si∶H/i-nc-Si∶H/p-c-Si/Al/Ag结构的异质结（HIT）太阳能电池,开路电压（Voc）达404mV,短路电流密度（Jsc）可达到34.2mA/cm^2（AM1.5,100mW/cm^2,25℃）。

HWCVD低温制备超薄硼掺杂纳米晶硅薄膜

采用热丝化学气相沉积（HWCVD）技术在低温条件下（100℃）制备超薄（-30 nm）的硼掺杂硅薄膜。系统研究了氢稀释比例RH对薄膜的微结构和电学性能的影响。当RH由55增加至115,薄膜的有序度增加,晶化率升高,载流子浓度增加,暗电导率增加;同时,薄膜的缺陷密度增加、霍尔迁移率降低。实验证实,当RH=55-70时,超薄硅薄膜开始晶化,这是薄膜由非晶到纳米晶的转化区。快速热退火工艺进一步提高了薄膜导电率。在RH=115、衬底温度为100℃沉积条件下,经过420℃、80 s退火,获得电导率为6.88 S/cm的超薄硼掺杂纳米晶硅薄膜。

nc-Si∶H薄膜的三阶非线性光学性质

用简并四波混频技术 (DFWM)研究了nc Si∶H薄膜的三阶非线性光学性质 ,观察到了这种纳米薄膜材料的位相共轭信号 ,测得晶态比为XC1 =15 %和XC2 =30 % 的二个样品在光波波长为 5 89nm处的三阶非线性极化率分别为 χ1(3 ) =3 8× 10 - 6 esu和 χ2(3 ) =4 3× 10 - 7esu 。

nc-Si/a-SiO_x:H复合薄膜的结构及光吸收特性

采用 PECVD技术制备的 a－ SiO_x:H (0 SiO_x:H基质的量子点复合膜（ nc－ Si/a－ SiO_x:H）。利用 TEM技术， Raman散射谱和光吸收谱等 ,较系统地研究了该复合膜的膜结构和光吸收特性。实验结果表明：纳米硅嵌埋颗粒呈多晶结构，颗粒大小随退火温度升高而增大。复合膜光吸收边随纳米硅颗粒尺寸的减小发生了蓝移，表现出明显的量子限域效应。

工艺条件对硼掺杂纳米硅薄膜微结构及力学性能的影响

采用射频和直流偏压(RF+DC)双重激励源,在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中成功制备了掺硼纳米硅薄膜。改变衬底温度、射频功率和退火温度几个关键工艺参数,利用拉曼(Raman)谱仪、薄膜测厚仪和原子力显微镜(AFM)对掺硼纳米硅薄膜的微结构进行了分析;应用纳米压痕法研究了工艺条件对薄膜弹性模量及硬度等力学性能的影响关系。结果表明:薄膜晶态比、平均晶粒大小随着衬底温度的升高均有增大趋势;射频功率对提高薄膜生长速率存在最优值条件;退火对本征和掺硼薄膜表面形貌特征有较大影响,退火后掺硼薄膜表面粗糙度增大明显。薄膜弹性模量及硬度很大程度上受射频功率和后序处理条件的影响,退火使薄膜的力学性能有所提高。针对实验现象,从薄膜结构方面进行了相关的理论阐释。

纳米硅薄膜微结构变化对薄膜光电性质的影响

用退火的方法改变了纳米桂（nc－Si：H）薄膜的微结构。用Raman散射和共振核反应方法分析了薄膜的微结构变化。结果表明，薄膜的氢含量是影响薄膜光学带隙的主要因素，而薄膜的晶态体积比和晶粒尺寸是影响薄膜电导率的主要因素。

纳米硅薄膜复合阳极的绿色微腔式OLED的研究

采用甚高频增强型等离子体化学气相沉积技术,通过优化薄膜的沉积条件制备出高性能的P-nc-Si∶H薄膜材料(σ=5.86S/cm、Eopt>2.0eV).通过XRD测量计算出薄膜<111>、<220>和<311>三个晶向上的晶粒大小分别为15nm、17nm和21nm;通过Raman测量,计算出其晶化率为35%左右.实验中,将P型纳米硅薄膜与氧化铟锡一起构成有机电致发光器件的复合阳极,研究了他们的发光特性,结果表明:由于P-nc-Si∶H薄膜材料具有近似半反半透的光学特性,它与高反射率的阴极Al使有机电致发光器件产生了微腔效应,使其发光光谱窄化,半宽高由126nm窄化到33nm;发光光亮明显增强,最大亮度为47130cd/m2,最大发光效率为9.54383cd/A,与以ITO为阴极的无腔器件相比,提高了约127%.

PECVD生长掺磷纳晶硅薄膜的电导特性研究

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,在玻璃衬底上低温沉积了优质本征纳晶硅(nc-Si:H)薄膜和掺磷纳晶硅(nc-Si(P):H)薄膜。通过拉曼散射谱和XRD衍射谱分别研究了PH3浓度对nc-Si(P):H薄膜的晶化率(Xc)和晶格微观畸变(Ls)的影响,结果显示随着PH3浓度的增加,Xc和Ls均呈现了先增加后减小的相似趋势,暗示二者之间存在紧密的关联;利用四探针法测量了nc-Si(P):H薄膜的电导率(σ),结果表明,nc-Si(P):H薄膜的σ比nc-Si:H薄膜提高了约5个数量级,且随着PH3浓度的增大而单调增大。该变化可以从Xc、Ls的角度得到合理解释。

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.

射频功率对RF-PECVD法制备纳米硅薄膜结构特征和光学特性的影响

利用射频等离子体增强型化学气相沉积(RF-PECVD)工艺,以SiH4和H2作为反应气体源,在石英衬底上制备了氢化纳米硅(nc-Si∶H)薄膜。其中衬底温度为250℃,H2稀释比为99%,反应压强为133Pa和射频功率为20～60W。采用α-台阶仪、X射线衍射仪(XRD)、Raman光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)和紫外-可见光分光光度计等对薄膜的结构特征和光学特性进行了测试研究。结果表明,随着射频功率的增大,nc-Si∶H薄膜的沉积速率增加,晶化率提高,晶粒尺寸增大和氢含量减小,同时薄膜的吸收系数增强,光学带隙变窄,结构有序性增强和带尾态宽度减小。