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。

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。

掺杂nc-Si∶H膜的电导特性

采用常规 PECVD工艺 ,以高纯 H2 稀释的 Si H4 作为反应气体源 ,以 PH3作为 P原子的掺杂剂 ,在 P型 ( 1 0 0 )单晶硅 ( c- Si)衬底上 ,成功地生长了掺 P的纳米硅膜 ( nc- Si( P)∶ H)膜 .通过对膜层结构的 Raman谱分析和高分辨率电子显微镜 ( HREM)观测指出 :与本征 nc- Si∶H膜相比 ,nc- Si( P)∶ H膜中的 Si微晶粒尺寸更小 (～ 3nm) ,其排布更有秩序 ,呈现出类自组织生长的一些特点 .膜层电学特性的研究证实 ,nc- Si( P)∶ H膜具有比本征 nc- Si∶ H膜约高两个数量级的电导率 ,其 σ值可高达 1 0 - 1～ 1 0 - 1Ω- 1· cm- 1.这种高电导率来源于 nc- Si( P)∶H膜中有效电子浓度 ne的增加、Si微晶粒尺寸的减小和电导激活能 ΔE的降低 .采用 nc- Si( P)∶H膜和 P型 c- Si制备了异质结二极管 ,其反向击穿电压值可高达 75V,而反向漏电流却仅有几个 n A。

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。

纳米硅(nc-Si∶H)/晶体硅(c-Si)异质结太阳电池计算机模拟

文章运用美国宾州大学发展的 AMPS程序模拟计算了 n-型纳米硅 ( n+ -nc-Si∶ H) /p-型晶体硅 ( p-c-Si)异质结太阳电池的光伏特性。结果显示 ,界面缺陷态是决定电池性能的关键因素 ,显著影响电池的开路电压 ( VOC和填充因子 ( F F)。计算得到了这种电池理想情况下 (无界面态、有背面场、正背面反射率分别为 0和 1 )的理论极限效率 ηmax=3 1 .1 7% ( AM1 .5 1 0 0 MW/cm2 0 .40～ 1 .1 0 μm波段 )。

采用溶胶-凝胶法制备nc-Si/SiO_2薄膜

溶胶 凝胶方法是近年发展起来的一种新型的材料制备技术,被广泛的应用于薄膜、均匀超细粉末和陶瓷涂层的制备中。本文以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,在乙醇共溶剂和盐酸催化剂条件下,采用溶胶 凝胶方法制备含有纳米晶硅(nc Si)的SiO2胶体溶液,通过旋涂法使溶剂迅速挥发而迅速凝胶化,经过适当温度的干燥和烧结制备了nc Si/SiO2薄膜。探讨了胶体粘度、盐酸催化剂浓度、旋涂速度和时间对成膜质量的影响。给出了nc Si/SiO2薄膜的扫描电镜图像和表征nc Si/SiO2薄膜组分的能谱图。

(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.

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。

nc-Si:H薄膜的微结构特征与光学特性

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,在玻璃和石英衬底上制备了氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜.采用Raman散射谱、原子力显微镜(AFM)、透射光谱方法对在不同衬底温度与不同H2稀释比条件下沉积生长薄膜的微结构和光学特性进行了实验研究.结果表明,nc-Si:H薄膜的晶粒尺寸为2.6～7.0nm和晶化率为45%～48%.在一定反应压强、衬底温度和射频功率下,随着H2稀释比的增加,薄膜的沉积速率降低,但晶化率和晶粒尺寸均有所增加,相应光学吸收系数增大.而在一定反应压强、射频功率和H2稀释比下,随着衬底温度的增加,沉积速率增加,薄膜晶化率提高.

nc-Si∶(Al_2O_3＋SiO_2)复合膜的制备及其热电特性

采用真空热蒸发技术在石英玻璃衬底上蒸镀约400 nm的铝膜,并在空气中580℃的条件下退火1 h。在退火过程中Al与石英中的SiO2反应形成纳米硅nc-Si∶（Al2O3＋SiO2）复合膜。利用X射线衍射（XRD）、拉曼散射（Raman）及扫描电镜（SEM）等方法研究了薄膜的结构特性。测得膜厚约为760 nm,估算出薄膜中纳米硅（nc-Si）的平均尺寸约为25 nm。实验发现该nc-Si∶（Al2O3＋SiO2）复合膜有热电特性,研究了其电阻率及Seebeck系数随温度（293-413 K）的变化关系,在293 K和413 K该薄膜的Seebeck系数分别约为-624μV/K和-225μV/K。

nc-Si/SiO_2球形量子点的三阶极化率

在有效质量近似下,采用无限深势阱,理论计算nc-Si/SiO2球形量子点导带中的电子束缚态,并利用紧束缚密度矩阵理论,推导出共振三阶极化率的表达式.通过数值模拟,分析讨论nc-Si/SiO2球形量子点的三阶极化率与量子点半径、入射光子的能量和弛豫相的关系.结果表明,在强受限中,三阶极化率与量子点半径、入射光子能量和弛豫相有着显著的关系.随着量子点半径的增大、入射光子能量的增大和弛豫相的减小,三阶极化率都有不同程度的增强.

Nc-Si∶H薄膜器件的研究

介绍了氢化纳米硅(nc-Si∶H)薄膜在电子学器件和光电转换器件(如隧道二极管、异质结二极管、变容二极管、单电子晶体管、太阳能电池、发光二极管)等方面的研究进展,分析了这些器件的性能与nc-Si∶H薄膜结构之间的关系,阐述了新型器件的优点。

nc-Si/SiO_2复合膜的非线性光学性质

采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术,制备a-SiOx∶H(0<x<2)薄膜,经高温退火形成纳米硅晶粒(nc-Si)埋入SiO2基质的复合膜nc-Si/SiO2.采用简并四波混频技术(DFWM),研究nc-Si/SiO2复合膜的非线性光学性质,观察到这种纳米薄膜材料的位相共轭信号,测得样品在光波波长在589 nm处的三阶非线性极化率为X(3)=5.6×10-6esu,并分析其光学非线性增强机理.

α-SiN_x/nc-Si/α-SiN_x双势垒结构的电荷存储特性

利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术,采用NH_3等离子体预氮化法淀积α-SiN_x介质膜,同时结合layer by layer生长nc-Si的方法一次性原位制备了α-SiN_x/nc-Si/α-SiN_x双势垒结构样品.通过原子力显微镜(AFM)测量,估算了nc-Si的密度为1.2×10^(11)cm^(-2).通过C-V测量研究镶嵌在SiN_x双势垒层中的nc-Si颗粒的电荷存储现象.C-V曲线出现明显的迥滞现象,迴滞窗口约为1 V,表明结构中电荷存储特性.根据迴滞窗口,计算了结构中存储电荷的密度,发现存储电荷密度与nc-Si层的晶粒密度具有相同的数量级.

n-ZnO/i-ZnO/p-nc-Si结构薄膜太阳能电池的模拟研究

运用AMPS-1D软件对n-ZnO/i-ZnO/p-nc-Si结构的异质结薄膜太阳能电池进行了模拟,探讨了补偿掺杂i-ZnO层厚度变化以及界面态的引入对太阳能电池的开路电压、短路电流密度、填充因子以及转换效率的影响,并对其机理进行了分析。结果表明:界面态的存在会大幅降低太阳能电池的效率,在理想情况下太阳能电池的转换效率可以达到25.381%。

H_2稀释比对RF-PECVD制备a-Si:H/nc-Si:H薄膜的光电特性的影响

研究了H2稀释比对a-Si:H/nc-Si:H薄膜光电特性及微结构的影响。采用RF-PECVD法,以高纯Si H4及H2/Si H4混合气体为反应气源交替反应制备样品,并通过紫外-可见光分光光度计、椭偏仪及Keithley 4200、XRD对样品进行分析测试。实验表明:在纳米级厚度的a-Si:H薄膜基础上,随着第二反应气H2/Si H4混合气中H2比率(99%、97%、95%、92%、80%)的升高,沉积速率持续下降,薄膜消光系数、禁带宽度以及电导率呈现先增大后减小的趋势。针对实验现象,结合薄膜生长机理对实验结果原因进行了分析。

Z扫描法研究nc-Si／SiNx多量子阱材料非线性光学特性

采用射频磁控反应溅射技术与热退火处理制备了nc-Si/SiNx多量子阱材料。对样品进行了小角度XRD、Raman光谱、吸收光谱测试,研究了其结构和光学性质。采用皮秒脉冲激光单光束Z-扫描技术研究了样品在非共振吸收区的三阶非线性光学特性。实验结果表明,其非线性折射率为负值,非线性吸收属于双光子吸收。由实验数据计算得材料三阶非线性极化率为7.50×10-8esu,该值比体硅材料的三阶非线性极化率大4个数量级。对材料光学非线性产生的机理进行了探讨,认为材料的非线性极化率的增加来源于材料量子限制效应增强。

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．

nc-Si／SiNx超晶格薄膜实现Nd：YAG激光器调Q和锁模

采用射频磁控反应溅射法制备a-Si/SiNx超晶格薄膜材料,热退火后形成纳米Si晶粒。把nc-Si/SiNx薄膜作为饱和吸收体插入Nd:YAG激光器腔内,在腔长较短时,实现1.06μm激光的被动调Q运转,获得最小脉宽23ns的调Q单脉冲输出,当腔长增加到124cm时,获得平均脉宽35ps的锁模脉冲序列。根据实验现象结合薄膜结构,分析了材料调Q与锁模的产生机制,并研究了不同工作条件下的调Q输出性能。

SiC/nc-Si多层薄膜的光致可见发光谱的紧束缚理论

用Vogl提出的sp3s*紧束缚模型来研究碳化硅/纳米硅(SiC/nc-Si)多层薄膜的能带结构与其光致发光谱的关系,并设计出SiC/nc-Si多层薄膜最佳结构为{Si}1{SiC}8,即碳化硅层的厚度是纳米硅层厚度的8倍时的超晶格结构蓝光发射的效率最高.在等离子体增强化学气相沉积系统中,通过控制进入反应室的气体种类逐层沉积含氢非晶SiCx:H(a-SiCx:H)和非晶Si:H(a-Si:H)薄膜,然后经过高温热退火处理,成功制备出了晶化纳米SiC/nc-Si(多晶SiC和纳米Si)多层薄膜.利用截面透射电子显微镜技术分析了a-SiCx:H/nc-Si:H多层薄膜的结构特性,表明制得的超晶格结构稍微偏离设计,它的结构为{Si}1{SiC}5.最后对晶化样品的光致发光谱进行研究,详细分析了各个光致发光峰的物理本质.