沉积气压对相变域硅薄膜性能的影响

郝会颖;李伟民;曾湘波;孔光临;廖显伯

【摘 要】采用甚高频等离子体增强化学气相沉积（VHF-PECVD）法,成功制备出一系列从非晶到微晶过渡区域的硅薄膜。研究了气体压强对样品的微结构、光电特性、输运性质以及沉积速率的调控作用。结果表明,增大沉积气压可以提高材料的光敏性及沉积速率,但材料的结构有序度以及输运特性变差。%A series of transition films from amorphous to microcrystalline silicon was successfully prepared by very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition（VHF-PECVD）.Effects of gas pressure on the

microstructure,photoelectric and transport properties of the films were investigated.The results indicate that increase of gas pressure improve the photosensitivity and deposition rate,while the order degree of the microstructure and transport properties get worse. 【期刊名称】《功能材料》 【年(卷),期】2011(042)008 【总页数】3页(P1489-1491)

【关键词】相变域硅薄膜;微结构;光电特性;输运特性 【作 者】郝会颖;李伟民;曾湘波;孔光临;廖显伯

【作者单位】中国地质大学材料科学与工程学院,北京100083;中国地质大学材料科学与工程学院,北京100083;中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验

室,北京100083;中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京100083 【正文语种】中 文 【中图分类】O472

能源危机是一个世界性的严峻问题，开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展的战略决策。在各种光伏材料中，非晶硅薄膜（a－Si）由于具有低温工艺、耗材少，便于大面积制备及高光敏性等优点脱颖而出［1］。但SW效应［2］一直是制约其发展的一个重要障碍。由于非晶硅的光致衰退与其无规网络结构有关，因此要想解决材料的稳定性问题，就必须改善薄膜的有序度［3，4］，这种结构的改善最终将导致薄膜的晶化，而晶化程度过高会对材料的光敏性产生影响［5］。因此，如何有效地控制材料的结构有序度、光电特性以及输运特性是一个非常重要的问题。本文将系统讨论气体压强对薄膜的晶相体积比、晶粒尺寸、键角畸变、光暗电导、光敏性、激活能、载流子的迁移率寿命乘积以及沉积速率的影响。

利用三室VHF－PECVD系统制备了一系列硅薄膜样品。其中氢气对硅烷的稀释比例、衬底温度、辉光功率、频率等工艺参数固定不动，分别为15，220℃，80W，60MHz，改变沉积气压，分别是50、80、130、260、390Pa，采用玻璃及石英作为衬底用以进行不同的性能测试。

样品的微区喇曼散射谱用JY－64000系统在室温下测量；功率为0.5mW，光源是掺钕钇铝石榴石（Nd∶YAG）固体激光器；激发光波长为532nm；光斑直径约是1μm；仪器的分辨率为1cm－1；几何配置是背反，即：z（x，x。

为了测量材料的光电特性，沉积完成后，对生长在毛石英片上的硅薄膜在真空中蒸镀了共面铝电极，电极间狭缝宽度约为0.47mm，长度约为10mm，利用透射谱计算薄膜的厚度。在光、暗电导测量前先将样品在200℃真空炉中进行1h的退火；

用F8520A数字多用表和Keithley 642分别对低阻和高阻样品进行电导测量，最后根据薄膜厚度、狭缝的长度和宽度计算电导率。测光电导时采用卤钨灯作为光源，功率密度为100mW/cm2。测量激活能的装置基本同上，用DWT702型温控仪控制样品的温度。载流子的迁移率寿命乘积（μτ）用定态光电导法估算，光源用波长为670nm的脉冲激光器，通过5209型锁相放大器测量材料的定态光电导，光通量F用已校准的硅光电二极管测得。

晶体硅的Raman特征峰在520cm－1处，相应于在Γ点附近的TO模跃迁。而在非晶硅中，由于声子被局域，波矢不再是好的量子数，q≈0的波矢选择定则被放松，一级Raman光谱包括了整个振动的能量范围［6］，因此类TO模是在480cm－1处的弥散的峰，相应于其声子密度分布谱的峰值。若薄膜具有两相结构，则类TO模将包含晶体相和非晶相分量。硅薄膜的喇曼测试结果如图1所示。 通过高斯拟合可以看出，当沉积气压为390Pa时，喇曼谱表现为典型非晶硅的4个特征峰，分别是波数为154cm－1附近的类 TA模，312cm－1附近的类LA模，416cm－1附近的类LO模以及481cm－1附近的类TO模。而当压强降低到130Pa时，除上述4个特征峰外还含有两个特征峰，分别在516和约505cm－1附近，一般认为在510～520cm－1附近的Raman峰与薄膜中出现的晶态成分有关［7］，而500cm－1附近的 Raman峰则对应着晶粒间界键角膨胀所引起的散射成分。薄膜中的晶态体积比f，可以用类TO膜的高斯拟合来计算，一般用约520cm－1处和约500cm－1处散射峰的面积总和与总的类TO模的散射峰面积的比值来表征，即：

其中IC、IGB和IA分别代表晶态的散射强度、界面的散射强度和非晶态的散射强度，Y是非晶与微晶的比例常数取0.9［8］。根据（1）式计算的结果表明，当压强为390和260Pa时，薄膜为典型的非晶硅，压强降低到130Pa时，薄膜部分晶化，晶相比为45.3%，随着气压的降低，微晶成分增加，当沉积气压为80Pa时，

晶相比为67.5%。进一步减小沉积气压到50Pa时，薄膜的晶相比为71.1%。 由于声子限制效应和内应力等原因，这种两相材料的晶相峰位相对520cm－1会有所红移。根据这种红移可以计算晶粒尺寸，引用较多的是键极化模型［9］： 其中，Δω（D）是平均晶粒尺寸为D的样品的Raman位移；α是晶体硅的点阵常数（α＝0.543nm）；A 和γ是常数，A＝97.462cm－1，γ＝1.39，根据（2）式算出这些相变域硅薄膜中晶粒的平均尺寸为5～8nm。a－Si的类TO模散射峰的半高宽ΔWTO反映了键角畸变的程度，WTO越小，表明畸变越小。图2给出了WTO随着压强的变化。

由以上晶相比及键角畸变分析可以看出，随着压强的降低，薄膜的有序度逐渐增强，这是由于气压较小时，电子和离子的平均自由程较大，在沉积过程中电子和反应物直接与衬底表面发生相互作用。而气压较高时，电子和离子的平均自由程较短，会发生大量离子之间的碰撞，甚至可能导致它们之间的聚合，形成（SiHx）n的聚合物，因而不利于薄膜的晶化。

硅薄膜的光敏性定义为光电导率（σph）与暗电导率（σd）的比值，其测量结果如图3所示。可以看出随着沉积气压的减小，光、暗电导率均增大，但光敏性不断降低。当压强为390Pa时，光电导率为3.24×10－4S/cm，暗电导率为3.18×10－10S/cm，光敏性为1.02×106；当压强降低到260Pa时，光、暗电导率分别增大到3.76×10－4和1.17×10－8 S/cm，光敏性降为3.20×104；进一步降低压强到130Pa时，光电导为5.8×10－4 S/cm，暗电导迅速增加到5.07×10－7S/cm，导致光敏性降为1.14×103，这是由于两相结构中的纳米颗粒形成导电沟道的缘故；当压强减小到80和50Pa时，光敏性只有6.564和5.07，如此低的光敏性显然不适合做太阳能电池。

硅薄膜暗电导的激活能Ea（即Ec－Ef），反映了材料中费米能级的位置，激活能测试结果见图3，可以看出压强越小，激活能越小，说明费米能级的位置逐渐向导

带靠近，一方面是由于随着微晶成分的增多，材料的禁带宽度本身就在不断减小，另一方面是由于晶相成分增多时，晶粒间界和微空洞也会增多，使得材料中更容易进入氧，氧起着类施主的作用，因而使得激活能降低。一般认为，器件级质量的硅薄膜的光敏性应＞102，激活能应＞0.5［10］。

载流子的μτ乘积是硅薄膜材料的重要参数，反映了材料的输运特性，可由定态光电导估算：

式中，e是电子电量，η是量子产额，μ是载流子迁移率，τ是载流子寿命，F是光通量，R是反射系数，α是吸收系数，d是样品厚度。用锁相放大器测量材料的定态光电导，光通量用已校准的硅光电二极管测得，反射系数、吸收系数及薄膜厚度都可以通过测量样品的透射谱得到。量子产额η一般稍＜1，这里取η＝1，意味着所得到的μτ值是最低限。乘积的估算结果如图4所示。可以看出，随着压强的降低，μτ乘积逐渐增大，说明随着薄膜微结构有序度的提高，材料的输运特性有所改善。

图5给出了沉积速率随着气压的变化。

在50～260Pa范围内，薄膜的沉积速率随着气压的升高而增大。这是由于气体压强越大，可分解的硅烷就越多，在功率足够大的情况下，反应前驱物增多，因此沉积速率提高。但当气压增大到390Pa时，沉积速率反而下降。这是由于当气压增大到一定程度后，进入腔体的硅烷过多，而对应的功率已不足以分解这些硅烷，这时没有充分利用的硅烷将与已分解的前驱物发生聚合反应，因而使生长速率降低。 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积（VHFPECVD）法，成功制备出一系列从非晶到微晶过渡区域的硅薄膜。系统研究了气体压强对样品的微结构、光电特性、输运性质以及沉积速率的调控作用。结果表明随着气压的降低，薄膜的晶相体积比逐渐增加，键角畸变逐渐减小；光、暗电导率增大，光敏性下降，激活能减小；载流子的迁移率寿命乘积逐渐增大。气体压强较大时，反应前驱物增多，因此沉积速

率增大，当气压为260Pa时达到最大值。

【相关文献】

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