气相沉积硅薄膜微结构及悬挂键缺陷研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中南大学物理科学与技术学院 作者:黄香平

  在单晶Si(100)基体上利用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积法制备硅薄膜, 并采用X射线衍射谱(XRD)、透射电镜(TEM)、Raman光谱、电子自旋共振(ESR)波谱等实验方法研究了不同Ar流量下硅薄膜微结构及悬挂键密度的变化。XRD及TEM实验结果得出, 制备的硅薄膜的晶粒尺寸为12~16nm, 属纳晶硅薄膜。薄膜结晶度随镀膜时Ar 流量增大而增大, 而悬挂键密度则先迅速减小而后缓慢增大。当Ar流量为70ml/min( 标准状态)时, 薄膜的悬挂键密度达到最低值4.42X1016 cm-3。得出最佳Ar 流量值为70ml/min。

  硅薄膜的结构缺陷显著影响薄膜太阳能电池的性能。目前硅薄膜微结构的研究报道相对较多, 对硅薄膜缺陷的研究, 国外报道较多, 而国内相对较少, 尤其是对悬挂键缺陷的研究。悬挂键缺陷的存在对太阳电池性能的影响很大, 极易成为电子和空穴的额外复合中心, 使得电子的俘获截面增大、寿命下降, 影响电池性能的稳定性。悬挂键中的电子是未配对的, 存在自旋, 电子自旋共振(ESR)技术是已知测量硅薄膜中悬挂键缺陷的主要方法。ESR测得在蒸发和溅射法制备非晶硅中, 自旋密度达到1020cm-3, 表明悬挂键缺陷的浓度是相当高的。无掺杂的非晶硅中的悬挂键密度很高(1018cm-3或更高) , 电学性能很差, 不能满足器件的应用要求, 而无掺杂的微晶硅薄膜中悬挂键密度达到1017~5X1018cm-3。因此对悬挂键缺陷的研究是非常有必要的。

  本文针对Ar稀释SiH4来制备硅薄膜, 通过分析检测各种条件对结晶度、悬挂键密度的影响规律,为认识纳晶硅薄膜的结构缺陷状态提供实验依据。

3、结论

  本实验条件下利用ECR-PECVD法在单晶Si(100)衬底上采用Ar 稀释SiH4作为反应气源制备硅薄膜。

  (1) 本实验条件下制备的薄膜为纳晶硅薄膜, 平均晶粒尺寸为12~16nm;

  (2) 随Ar流量增大, 薄膜的结晶度有增大的趋势;

  (3) 随Ar流量增大, 悬挂键密度呈先迅速减小后缓慢增大的趋势;

  (4) 当Ar流量为70ml/min时, 薄膜结晶度约为50%, 薄膜的悬挂键密度达到最低值4.42X1016cm-3, 因此得出最佳Ar流量为70ml/min。

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