沉积气压对纳米晶硅薄膜晶化率与电输运性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京航空航天大学材料科学与技术学院 作者:潘园园

  采用热丝化学气相沉积法在不同气压( 1~ 8 Pa) 下沉积了p 型纳米晶硅薄膜, 研究了沉积气压对薄膜晶化率和电输运性能的影响。结果表明, 薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸随沉积气压升高而增大, 而当沉积气压超过6 Pa 后, 薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸会减小。当沉积气压由1 Pa 升高到2 Pa 时, BH3 粒子迅速增多, 且吸附方式是化学吸附, 因而载流子浓度从8.9×1018 cm- 3迅速增大到6.252×1020 cm- 3。此时电导率从1.08 S/ cm 显著增加到29.5 S/ cm, 而电导激活能则从95􀀁8 meV急剧减小至18.6 meV, 这是硼杂质掺杂浓度和薄膜的晶化率迅速增大所致。

  氢化纳米硅( nc-Si:H) 是一种混合相材料, 其中纳米尺度( 几个纳米~ 30 nm) 的硅晶粒镶嵌在a-Si:H 网络里。p 型nc-Si:H 薄膜被广泛应用于薄膜

  太阳能电池和薄膜晶体管等大面积光电器件中, 具有较高的掺杂效率, 高的电导率和迁移率及低的光吸收等优点。nc-Si:H 薄膜的沉积方法主要有等离子化学气相沉积(PECVD) 法和热丝化学气相沉积(HWCVD) 法等。与传统的PECVD 相比, 采用HWCVD 法制备p 型nc-Si􀀁H 薄膜, 沉积速率快, 气体利用率高, 对薄膜的损伤少, 成本低。因而,需要对nc-Si􀀁H 薄膜的HWCVD 制备、结构以及电输运性能进行系统而深入地研究。

  在先前对nc-Si:H 薄膜的结构和电输运性能的研究工作中, 人们提出了一些理论模型, 主要有晶界(GB) 陷阱模型和异质结量子点隧穿( HQD) 模型等。GB 陷阱模型表明: nc-Si:H 薄膜中的a-Si:H 网络被看作是硅晶粒间的晶界区, 一般为2- 4 个原子层厚, 其中存在着大量的陷阱态, 这些陷阱态会俘获载流子并形成晶界势垒, 阻碍载流子的输运。根据HQD 模型, nc-Si:H 薄膜中的a-Si:H 和硅晶粒构成异质结, a-Si􀀁H 为势垒, 硅晶粒为势阱, 其电输运机制以热激发辅助电子隧穿为主, 输运过程是电子先被激发到硅晶粒量子点中, 然后隧穿通过晶界势垒区。

  本文采用HWCVD 在不同沉积气压下制备晶化率不同的p 型nc-Si:H 薄膜, 对相应薄膜的电输运性能进行了对比, 并结合以上两个模型对不同沉积气压下薄膜的晶化率和电输运性能, 特别是电导激活能进行了研究, 获得了电导激活能仅为13.5meV 的薄膜。

结论

  (1) 当沉积气压1 Pa 升高到6 Pa 时, 热丝分解产生的H 原子增多, 同时产生的SiH3 粒子增多, 因而薄膜晶化率和平均晶粒尺寸增大; 当沉积气压进一步升高时, 薄膜表面H 原子覆盖减少, 薄膜晶化率和平均晶粒尺寸减小。

  (2) 当沉积气压从1 Pa 升高到2 Pa 时, BH3 化学吸附于薄膜生长表面, 因而载流子浓度迅速增大。当沉积气压继续增加到8 Pa, 虽然B2H6 分解产生的BH3 粒子增多, 但是多数BH3 粒子物理吸附于薄膜表面, 因而载流子浓度缓慢增大甚至减小。沉积气压高于2 Pa 时, 硼杂质浓度的迅速增加导致电离杂质散射显著增强, 并主导了迁移率的逐渐减小。

  (3) 当沉积气压从1 Pa 升高到2 Pa 时, 硼杂质掺杂浓度迅速增大, 且薄膜的晶化率增大, 因而电导激活能迅速减小, 其后电导激活能随沉积气压缓慢减小。

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