脉冲激光对非晶硅薄膜晶化现象的影响

近年来 ，针对半导体材料 的激 光退 火技术引起了人们 的很大研究 兴趣 通常 ， 经过离子注入 的半导体材 料都有一定的 晶格损伤 ， 使用 常 规 的热退 火方法来消 除晶格损伤 ， 需要较 高温度 （ ００ １０ ℃以上 ） 和较 长 ｔ 司 （ ３ ｍｉ） ￣１ 约 ０ ｎ 的热处理过程 ， 导致材料表 面容易遭 到污 染 ， 这 基底材 料 由于长时间加热引起电学性能下降 ，甚至 在一些情况下还不能较好 的消除晶格损伤 。 激光退 火技 术可以克服普通热退火技术 的这些缺点 ， 它不仅能够较好消除晶格损 伤 ， 同时还能 获得较 高的电激活率… 。较之 常 规 热 退 火 技 术 ， 光退 火 技 术 具 有 其 独 特 的优 势 ， 如 空 间 上 可 以小 激 比 范 围选 择 退 火 区 域 ， 火 时 间也 比 较 短 。 激 光 照 射 表 面覆 有 杂 质 源 的 退 用 半导体材料 ， 能够使杂质向半导体材料内部扩散， 从而制成 ｐ ｎ 。还能 －结 使金属与半导体材料合金化 ， 实现 良好的欧姆接触 ， 降低接触电阻值日 ， 因而可以减少太阳能电池生产的工 艺步骤 ， 生产成本 。 降低 ２激 光 退火 的机 理 ． 激光退火的基础在于接受激光照射 的材料表 面温度升高引起热效 应而达到退火 目的。 激光技术是一种 自上而下 的加热技术 ， 在激光热扫 描薄膜表面时 ， 在扫描样 品内形成 了一定 的温度梯 度 ． 当非晶硅薄膜 的 厚度较小时 ， 温度梯度的效应会减弱。 此 硅材料吸收激光辐射能量的能 力受激光 能量 与 自身的限制 ，能量 过大会熔 化 ， 激光退火是熔化模式 的退火 。根据一维扩散方程
生 产要 求
［ 关键词 ］ 晶硅薄膜 非
１引 言 ．
Ｐ ＣＶ Ｅ Ｄ 咏冲 激 光退 火 采用氮气保 护 ， 激光器 电流 ２ ｍＡ， 冲宽度 ５ ｓ非 晶硅表 面光斑直径 ０ 脉 ｍ， 为 １ｍＦ， 冲 频率 ２ 。退 火 时 间 ３ ０ ｌ脉 ｌ ０Ｈｚ ０秒 。 ４激光退火对薄膜结构与表面形貌的表征与分析 ． 经过激光退火 工艺处理的非晶硅薄膜样片 ，其处理效果采用 ｘ射 线衍射 （ Ｒ 以及原子力显做镜（ Ｆ 进行结构 和形貌分析 。 Ｘ Ｄ） Ａ Ｍ） （） １薄膜结构的表征与分析 ｘ射 线衍射 ， ｘ ｒｙ ｉｒｃｉ （ Ｄ）对样 片进行 ｘ射线 衍射 ， 即 —ａ ｆ ａｔ ｎ ＸＲ ， ｄｆ ｏ 分析其 衍射获得 的图谱数据 ， 可以分析材料 的成分 、 内部形 态或结构 ， 如晶 向、 晶粒大小等数据 。衍射强度方程为
英玻璃作 为衬底材料 ， 用 Ｐ Ｃ Ｄ 法沉积 非晶硅 薄膜 ， 用 Ｙ Ｇ激光 器对非晶硅薄膜进行退 火处理 ， 利 ＥＶ 使 Ａ 研究脉冲激光对非晶硅薄膜 的晶化现 象 实验 结果表 明， 脉冲激光￣ ＇ － 艺可使 非晶硅 薄膜快速结 晶， ＫＴ － 生成 纳米级微 晶颗粒 ， 其尺寸 满足 非晶硅 太 阳能 电池的
ｄ ｔ ０ 、 ｘ ｄ ｘ
（） １
式 中 Ｔ ，是 温度分布 ， ｓ ） 比热容 ， ） 度 ，Ｃ 是热 传导 （ｔ ｘ） Ｃ（ 是 Ｔ ｐ＿是密 （ ｒ ｋｒ ） 率。 化深度受硅材料 的吸收深度与 比热 容影响 。 熔 深度 同时也是激光能 量密度 、 脉宽和激光 波长 的函数 。 激光照射 区明显受激光强度和激光作 用时间的影 响。当纳秒级脉冲激光照射到衬底时 ， 光子的能量被瞬间吸 收 ， 收 的 总 能量 由 贝尔 — — 兰 伯 特 规 律 确 定 。 吸收 能 量 的 扩 散 ， 过 吸 通 电子与空穴的碰撞 ， 依照一 定的温度梯度 以及热传导 系数 ， 提高衬底的 温度 ， 扩散 的深度 相对于大 范罔激光束而言是很浅 的 ， 温度梯度会垂直 于衬底表面。 热处理过程 中能量 的损失 主要是 由于普 朗克辐射产生的 ， 在熔点温度处 的表面蒸发与热处理环境的热对流损 失的能量相对于激 光强度而言是很小的。此时可在提供初始与边界 条件的情况下解决线 性 同质热处理问题 １ 。 在脉冲激光退火的情况 下 ， 如果激光 的功率 不够 大 ， 导致温度升高 不到熔 点 ， 时吸收区不会熔解 。同时如果在高 温区的时间很 短 ， 此 不会 得到所需 的退 火 目的 ， 时 ， 此 即使提 供足够熔解 的激 光功率进行退 火 ， 也得不到退火效果 。相 反的， 如果提供的激光光束功率 过大 ， 虽然熔解 深度达到了衬底 的晶体 区域 ，但由于高温下表面蒸 发和氧化现象的产 生， 从而容易使表 面受到损 伤。因此需要适 当功率 的激 光光束照射 ， 才 能够取 得 良好 的退火效果 和 目的。
ＩＣ Ｆ ｌ ＝ ｍｌ
一 ０一 Ｉ ｕ ∞ Ｉ ｃ ｌ ∞
（） ２
∞ ∞ ∞ 结晶度越好 强度越 高。 ∞ 出， 衍射峰的强度与结晶度的高低相对应 ， ∞ ∞ ， 对非 晶硅而言 ， 其结构的短程有序性 ， 导致其 在低角度的衍射范 围内仍然具 有选择性的衍射 ， 形成非晶态的峰包 。
强 度 校 正 系 数 Ｆ ｋｃ为 结 ∞ 柏 从 方 程 中 可 以 看 Ｉ加 ∞ 蚰， ｈ ｌｌ ∞构 因子 。
：
１００ ６０
ＣｍｐＴ ０ （ｔ ｆ（ 【Ｉ１ｓ ． ｓ ｉ）Ｔ ， ｘ） —— １ ｘＪ＋ （ｃ ｋ） ． ｘ）
科技信息
博士・ 专家论 坛
脉 冲激光对非晶硅薄膜 晶化坝象硇影响
南通 大学 电子信 息 学院 宋长青 尹 海宏
［ 摘 要］ 太阳能是一种新型环保可再生能源 ， 太阳能 电池是 目前太阳能最常见的应用形式。相对晶体硅 而言， 硅 成本较低的非 晶硅 薄膜 太阳能电池是 当前新 能源领域研 究的热 门。非 晶硅 薄膜的退 火工 艺是 非晶硅 太阳能电池生产 中的一 个重要 环节 ， 本文采 用石