氢化非晶硅_a_Si_H_薄膜稳定性的研究进展

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PECVD法制备氢化纳米晶硅薄膜及其晶化特性的研究.doc

PECVD法制备氢化纳米晶硅薄膜及其晶化特性的研究氢化纳米晶硅(hydrogenated nanocrystalline silicon, nc-Si:H)薄膜是硅的纳米晶粒镶嵌在氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)网络里的一种硅纳米结构材料。

它具有高电导率、宽带隙、高吸收系数、光致发光等光电特性,已经引起了学术界的广泛关注和研究。

一方面,nc-Si:H薄膜材料具有量子限制效应,因此可以通过控制薄膜中的晶粒尺寸等来调节薄膜的带隙,以应用于对不同波段的光的吸收。

另一方面,nc-Si:H薄膜材料具有良好的光照稳定性,无明显的光致衰退效应,有望应用于薄膜太阳能电池工业化生产中。

然而,nc-Si:H薄膜材料的结构、电学等性质强烈地依赖于其所制备的工艺参数。

因此,本文利用等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)法系统地研究了工艺参数(射频功率、氢稀释比、沉积温度、磷或硼掺杂比)对本征及掺杂nc-Si:H薄膜晶化特性、电导率及生长速率的影响。

研究结果表明：(1)在一定范围内,随着射频功率的增加,本征和掺杂nc-Si:H薄膜的晶化率、晶粒大小、沉积速率及电导率都在提高,但是过高的射频功率会使得薄膜表面被大量的原子轰击,导电性下降；(2)提高氢稀释比是制备nc-Si:H薄膜最有效的方法。

随着氢稀释比的增加,薄膜逐渐由非晶转变为纳米晶,而且氢稀释比越大,晶化程度越高,但是会显著降低薄膜的沉积速率；(3)在一定范围内,提高沉积温度可以提高n型和本征nc-Si:H薄膜的晶化程度和导电性,但是对p型nc-Si:H薄膜刚好相反,主要是因为掺硼的nc-Si:H薄膜在高温下更容易脱氢所致；(4)随着磷或硼掺杂比的增加,薄膜晶化程度在降低,而沉积速率在增加。

在一定范围内,磷掺杂比越高,薄膜导电性越好。

a_Si∶O∶H薄膜微结构及其高温退火行为研究

a 2Si ∶O ∶H 薄膜微结构及其高温退火行为研究3王永谦1)　陈长勇1)　陈维德1)　杨富华2)　刁宏伟1)许振嘉1)　张世斌1)　孔光临1)　廖显伯1)1)(中国科学院半导体研究所凝聚态物理中心,表面物理国家重点实验室,北京　100083)2)(中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室,北京　100083)(2001年5月30日收到;2001年6月22日收到修改稿) 以微区Raman 散射、X 射线光电子能谱和红外吸收对等离子体增强化学气相沉积(PEC VD )法制备的氢化非晶硅氧(a 2S i ∶O ∶H )薄膜微结构及其退火行为进行了细致研究.结果表明a 2S i ∶O ∶H 薄膜具有明显的相分离结构,富S i 相镶嵌于富O 相之中,其中富S i 相为非氢化四面体结构形式的非晶硅(a 2S i ),富O 相为S i ,O ,H 三种原子随机键合形成的S iO x ∶H (x ≈1.35).经1150℃高温退火,薄膜中的H 全部释出;S iO x ∶H (x ≈1.35)介质在析出部分S i 原子的同时发生结构相变,形成稳定的S iO 2和S iO x (x ≈0.64);在析出的S i 原子参与下,薄膜中a 2S i 颗粒固相晶化的成核和生长过程得以进行,形成纳米晶硅(nc 2S i ).研究发现此时的薄膜具有典型的壳层结构,在nc 2S i 颗粒表面和外围S iO 2介质之间存在着纳米厚度的S iO x (x ≈0.64).3国家自然科学基金(批准号:69976028)和国家重点基础研究发展计划项目(批准号:2000028201)资助的课题.关键词:a 2Si ∶O ∶H ,nc 2Si ,微结构,退火PACC :6140,6146,6170A1　引言近年来,多孔硅强的室温可见发光的发现[1],极大的引发和增强了人们企图通过制备低维硅基薄膜材料与器件以实现全硅光电集成的兴趣和信心.与多孔硅、Si ΠSiO 2超晶格、氢化纳米硅相比较,化学气相沉积(C VD )法制备的氢化非晶硅氧(a 2Si ∶O ∶H )薄膜和由a 2Si ∶O ∶H 经高温退火处理形成的包含纳米晶硅(nc 2Si )的氧化硅薄膜均同时具备机械强度高、缺陷密度低、发光稳定、制备技术简单且与集成电路工艺相兼容等诸多优点,但其发光效率距离实际应用尚有一定的差距.深入研究薄膜材料微结构、发光机理及其相互联系对于优化其器件质量和提高发光效率至关重要,然而目前有关a 2Si ∶O ∶H 和nc 2Si 薄膜微结构和发光机理的研究尚未成熟,基于不同实验现象的各种理论模型仍处在相互竞争和争论之中,与此相关的工作迫切需要系统、细致地深入下去.本文报道我们以Raman 散射、红外吸收和X 射线电子能谱对a 2Si ∶O ∶H 薄膜微结构及其高温退火行为进行调查和分析的最新结果.2　实验我们采用传统的等离子体增强化学气相沉积(PEC VD )方法,以SiH 4,N 2O 和H 2为反应气体,在熔融石英、高阻Si 和n +2Si 衬底上制备一系列不同O 含量的a 2Si ∶O ∶H 薄膜,其中气体流量分别为:[SiH 4(100%)]=5sccm ,[N 2O (100%)]=5—10sccm ,[H 2]=10sccm ,反应气压、衬底温度和射频功率密度分别为112×1331322Pa ,225℃和50mW Πcm 2.将所制备的薄膜样品切割成若干等分,在不同温度下的高纯N 2气氛中退火30min.以微区Raman 散射(micro 2Ra 2man )对退火过程中薄膜的结构变化进行跟踪研究,以X 射线光电子能谱(XPS )和傅里叶红外光谱(FT 2IR )对所有样品的结构组分和键构型进行表征和分析.3　结果311　R am an 散射谱图1给出[SiH 4]Π[N 2O ]=5∶715的a 2Si ∶O ∶H 薄膜样品退火前和经不同温度退火的micro 2Raman 谱.第50卷第12期2001年12月100023290Π2001Π50(12)Π2418205物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.50,N o.12,December ,2001ν2001Chin.Phys.S oc.可以看到未退火的a2Si∶O∶H样品的Raman散射与氢化非晶硅(a2Si∶H)的相类似,主要反映了无序网络中四面体结构的Si声子态,这表明a2Si∶O∶H薄膜中存在着非晶硅成分.图1中未退火样品的Raman 图1　a2S i∶O∶H薄膜退火前和不同温度退火后的m icro2Ram an谱谱线可用4条高斯线拟合,其中心位于154.1,324.7, 430.3,48310cm-1,分别对应于类非晶硅的T A,LA,LO 和T O共4种激活模式[2].经550,950℃退火后,这些模式的峰宽和相对强度有所变化,但基本特征保持不变,表明950℃以下温度退火不足以使a2Si∶O∶H 薄膜结构产生明显的变化.当退火温度达到1050℃时,在511cm-1处出现一小的锐峰,表明此时薄膜中已有少量晶体Si颗粒产生.当退火温度达到1150℃时,类非晶硅模式显著减弱,晶体模式显著加强,且移动到514cm-1处,其相对于单晶硅521cm-1峰的峰位红移和峰形展宽,是nc2Si的典型特征[3].我们发现进一步提高退火温度至1250℃,Raman谱没有明显变化,这表明1150℃退火处理足以在薄膜中形成晶化完整、尺度稳定的nc2Si.312　X射线电子能谱图2(a)和(b)分别为该薄膜样品退火前和1150℃退火后的Si2p芯能级谱,可以看到退火前样品的Si2p峰可用两个高斯峰进行很好的拟合,中心位置处的结合能(Eb)为99.20和101.95eV,可分别归因于Si和SiOx(0<x<2)两种成分,两峰积分强度各占总积分强度的7.9%和92.1%;退火后样品的Si2p峰可用三个高斯峰进行很好的拟合,中心位置位于99.34,100.52和103.03eV,可分别归因于Si,SiO x(0<x<2)和SiO2三种成分,三峰积分强度各自占总积分强度的14.5%,16.9%和68.6%.我们以下式估算薄膜中SiOx (∶H)成分的x值:图2　(a)为a2S i∶O∶H薄膜退火前的S i2p的XPS谱;(b)为1150℃退火后的S i2p的XPS谱xΠ2=(E SiOx-E Si)Π(E SiO2-E Si).得到退火前后的x值分别约为1.35和0.64.我们发现对于如前所述实验参量范围内制备的a2Si∶O∶H样品,随薄膜O含量的增加,SiOx(∶H)成分相应增加,但退火前后的x值基本不变.图3　(a)为a2S i∶O∶H薄膜退火前的红外吸收谱;(b)为1150℃退火后的红外吸收谱313　红外吸收谱图3(a)和(b)分别为该薄膜样品退火前和1150℃退火后的红外吸收谱.首先分析退火前的情况,其中640,870cm-1处的吸收峰以及2000—2600cm-1范围的吸收带可分别归属为Si—H键的摇摆模、弯曲模和伸展模[4—7],结合XPS分析的结果,我们将457,780和1048cm-1附近的吸收峰指认为SiO x(∶H)(x≈1.35)中Si—O—Si键的面外摇摆模,弯曲模和伸展模.退火后,薄膜的红外吸收发生了很大变化,与Si—H键相关的红外激活模式全部消失,914212期王永谦等:a2S i∶O∶H薄膜微结构及其高温退火行为研究这表明在高温处理形成nc2Si过程中薄膜中的H全部逸出.我们发现退火后样品的红外吸收谱可用5个高斯峰进行很好的拟合,其中462,803和1076cm-1处的峰可分别指认为SiO2中Si—O—Si键的面外摇摆模,弯曲模和伸展模[8,9],其振动频率相对于SiOx(∶H)(x≈1.35)中的情况有较大的蓝移; 1210cm-1处出现的肩峰则可指认为Si,O次晶格中Si—O—Si键的伸展模[10];对于926cm-1处出现的肩峰,参照XPS分析的结果,我们将之归因于SiOx(x ≈0.64)中Si—O—Si键的伸展模.这是我们观察到高温退火形成的nc2Si薄膜中Si—O—Si键伸展振动红外吸收的精细结构.4　讨论目前对于不同方法制备的由Si,O或Si,O,H构成的各类薄膜微结构的描述,归纳起来主要有以下4种模型:1)随机混合模型[11],该模型认为a2Si∶O薄膜是由a2Si和SiO2随机混合在一起组成的;2)随机键合模型,Ching[12]认为a2Si∶O薄膜中Si—Si、Si—O 键随机混合、均匀分布;Philipp[13]进一步认为a2Si∶O中薄膜Si,O原子以Si—Si4-yO y(y=0—4)的四面体形式随机键合在一起,形成一种均一的合金结构.依此类推,对于a2Si∶O∶H,Tsu等[7]认为其主要的键构型可表示为HSi—Si3-yO y(y=0—3),对应的Si—H 单键伸展振动频率分别约为2000,2100,2195, 2265cm-1;3)相分离模型,Watanabe等[14]认为a2Si∶O ∶H薄膜结构不是均一的,而是存在一定程度的相分离,富Si相镶嵌于富O相之中,其中富Si相主要为a2Si∶H,富O相主要是Si—SiO3;4)壳层模型,Ni和Arnold[15]提出a2Si∶O薄膜中Si晶粒为SiO2所包围形成一种壳层结构;Bruesch等[16]认为这一模型的提出没有考虑到介于Si与SiO2之间的中间相的存在,他们以XPS研究高温(660℃)制备的半绝缘多晶硅薄膜,发现在多晶硅颗粒表面有一厚度为单原子层(≈0.2nm)的成分过渡层SiO1-Δ(Δ=0.14),且其厚度和组分不随薄膜中O含量的增加而改变.以上4种模型的提出都是基于对某一类薄膜样品结构的某种测试分析,由于薄膜微结构强烈依赖于样品制备条件及其化学组分,并且由于每种分析手段对于薄膜结构的表征都有一定的局限性,这些模型在描述a2Si∶O(∶H)薄膜微结构方面并不具备普适性.对于我们制备的a2Si∶O∶H样品,XPS分析表明薄膜包含Si和SiOx(x=1.35)两种成分,据此我们认为薄膜具有相分离的结构特点.由Raman散射结果可知,膜中富Si相以类非晶硅的四面体结构形式存在.从FTIR谱来看,Si—H键的伸展模式有3个,其振动频率分别为2145,2196和2243cm-1,这正好对应于随机键合模型中的H2Si2O,HSi2O2和HSiO3键构型,表明薄膜中的富O相是由Si,O,H原子以四面体结构形式随机键合在一起形成的.此外, FTIR谱中2000cm-1附近对应于HSi—Si3键构型中Si—H单键伸展模的缺失,表明薄膜中的富Si相为非氢化的非晶硅(a2Si).基于高温退火形成nc2Si的实验事实,可以推断薄膜中的富Si相是以非连续的a2Si颗粒形式存在的.这样对于该a2Si∶O∶H样品,其结构与Watanabe提出的相分离模型有所不同,我们认为是非氢化四面体结构形式的a2Si颗粒镶嵌于Si,O,H三种原子随机键合形成的SiO x∶H(x≈1.35)介质之中.对于由a2Si∶O∶H经高温退火形成的nc2Si薄膜,文献中一般简单的视为是一种近似球形的nc2Si颗粒为均匀的SiO2介质所包围的自镶嵌结构.可以想象,薄膜中nc2SiΠSiO2界面为纳米半径的曲面,其微结构与宏观的c2SiΠSiO2之间的平面接触必然有所不同.在有关nc2Si薄膜发光机理的讨论中,nc2Si颗粒表面与nc2SiΠSiO2界面通常被认为是载流子辐射复合中心或非辐射复合陷阱,在整个光发射过程中扮演着重要角色[17,18].然而目前有关高温退火形成的nc2Si薄膜中nc2Si颗粒表面与界面微结构的研究却鲜见报道.如前所述,我们通过XPS分析发现1150℃退火形成的nc2Si薄膜由Si,SiO x(x≈0.64), SiO2三相构成.足够高的退火温度使我们有理由相信SiOx(x≈0.64)是处于nc2Si颗粒表面,作为nc2Si和SiO2介质之间稳定的中间相存在,而不是处于亚稳的未分凝状态.因此我们认为高温退火形成的nc2 Si薄膜具有典型的壳层结构,即nc2Si颗粒首先为内壳层SiOx(x≈0.64)所包围,然后为外壳层SiO2所包围.从Si2p峰的相对积分强度看,膜中SiOx(x≈0.64)成分含量可与nc2Si相比拟,这表明SiO x(x≈0.64)层厚度同样具有纳米尺度.由a2Si∶O∶H薄膜经1100℃以上高温退火形成成分分凝的Si量子点结构,现以成为制备高质量nc2Si薄膜的普遍方法.但据我们所知,关于a2Si∶O∶H薄膜微结构高温退火行为的细节和机理的研究始0242物理学报50卷终未见报道.在此我们通过对比退火前后样品的Raman,XPS,FTIR谱,可以将1150℃高温退火薄膜微结构变化的细节过程归纳为两个方面:1)薄膜中的SiOx∶H(x≈1.35)在H原子逸出的同时,发生结构相变,生成SiOx(x≈0.64)和SiO2.从XPS分析来看,退火后SiOx(x≈0.64)、SiO2两相中Si2p峰的相对积分强度之和较之退火前SiOx∶H(x≈1.35)相中Si2p的相对积分强度要小很多,这表明在SiO x∶H(x ≈1.35)结构相变过程中还涉及Si原子的大量析出.2)薄膜中的a2Si颗粒发生固相晶化形成nc2Si.退火后形成的nc2Si中的Si2p峰的相对积分强度较之退火前a2Si相中Si2p的相对积分强度要大很多,这表明参与形成nc2Si的Si原子尚有其他来源,而过程1)SiOx∶H(x≈1.35)相中Si原子的析出正好提供了这种来源.一般认为a2Si(∶H)薄膜固相晶化临界温度约为600℃,然而对于a2Si∶O∶H,950℃退火后样品Raman散射仍保持类非晶硅的声子模式.我们认为尽管a2Si∶O∶H薄膜中a2Si颗粒内部可能存在的少量O原子对晶化有抑制作用,但这并不意味着a2Si颗粒就一定具有高的多的固相晶化临界温度;我们倾向于认为实质上a2Si∶O∶H膜中a2Si颗粒很小,以致于其尺度小于固相晶化过程中形成稳定晶核所需的临界尺度,这样只有在过程1)大量析出Si原子的参与下,a2Si颗粒先行长大,晶化形成nc2Si 才有可能.换言之,过程1)是过程2)赖以发生的前提,形成nc2Si的临界温度也就是过程1)中Si原子大量析出的临界温度.从样品Raman散射的退火行为来看,这一临界温度约为1050℃.我们看到1150℃退火后薄膜中出现强的nc2Si散射峰,且较之1050℃退火出现的小峰峰位发生蓝移,表明此时的a2Si颗粒在实现晶化的同时晶粒也在长大.由于a2Si ∶O∶H样品中a2Si颗粒为SiOx∶H(x≈1.35)介质所分割、包围,高温退火过程中晶粒的长大归因于相邻Si颗粒的融合的可能性很小,而更可能是归因于过程1)中析出的Si原子的参与.这也就是说,过程2)中a2Si颗粒的晶化成核和晶粒长大都是在过程1)中析出的Si原子的参与下完成的.但有一点需要指出的是,并非所有的a2Si颗粒都能实现晶化形成nc2 Si,事实上我们看到1150℃退火后样品Raman散射谱中类非晶硅的声子模式虽大为减弱,但仍有保留,这表明薄膜中尚有少数a2Si颗粒在高温退火过程中始终未达到晶化成核所需的临界尺度.综上所述,我们可用以下两个式子简要描述1150℃高温退火薄膜微结构变化的细节过程: [SiO x∶H(x≈1.35)]→[SiO x(x≈0.64)]+[SiO2]+[Si]+[H2];[a2Si]+[Si]→[nc2Si].5　结论以Raman散射、X射线光电子能谱和红外吸收光谱细致研究了PEC VD法制备的a2Si∶O∶H薄膜的微结构及其高温退火行为.研究表明a2Si∶O∶H薄膜具有相分离结构,非氢化四面体结构形式的a2Si纳米颗粒镶嵌于Si,O,H三种原子随机键合形成的SiO x∶H(x≈1.35)介质之中.经1150℃高温退火,a2 Si∶O∶H薄膜发生明显的结构变化,薄膜中的H全部逸出;SiOx(x≈1.35)介质中过剩的Si原子析出,形成稳定的SiO2和SiO x(x≈0.64);a2Si颗粒长大、晶化,形成纳米晶硅.纳米晶硅颗粒表面纳米厚度的SiO x(x≈0.64)中间相的存在表明此时的薄膜具有典型的壳层结构.[1]L.T.Canham,Appl.Phys.Lett.,57(1990),1046.[2] A.T.V outsaa,M.K.Hatilis,J.Boyce et al,J.Appl.Phys.,78(1995),6999.[3]I.H.Cambell,P.M.Fauchet,Solid State Commun.,58(1986),739.[4]J.L.Y eh,S. C.Lee,J.Appl.Phys.,79(1996),656.[5]J. F.T ong,H.L.Hsiao,H.L.H wang,Appl.Phys.Lett.,74(1999),2316.[6]G.Suchaneck,O.S teinke,B.Alhallani,K.Schade,J.Non2Cryst.Solid.,187(1995),86.[7] D.V.Tsu,G.Lucovsky,B.N.Davids on,Phys.Rev.,B40(1989),1795.[8] F.R ochet,G.Du four,H.R oulet,B.Pelloie,J.Perriere,E.F ogarassy,A.S laoui,M.Froment,Phys.Rev.,B37(1988),6468.[9]G.Lucovsky,C.K.W ong,W.B.P ollard,J.Non2Cryst.Sol2id.,59&60(1983),839.[10]G.Suchaneck,Q.S teinke,B.Alhallani,K.Schade,J.Non2Cryst.Solid.,187(1995),86.[11]R.J.T emkin,J.Non2Cryst.Solid.,17(1975),215.124212期王永谦等:a2S i∶O∶H薄膜微结构及其高温退火行为研究[12]W.Y.Ching,Phys.Rev.,B26(1982),6610;Phys.Rev.,B26(1982),6622;Phys.Rev.,B26(1982),6633.[13]H.R.Philipp,J.Phys.Chem.Solid.,32(1971),1935.[14]H.W atanabe,K.Haga,T.Lohner,J.Non2Cryst.Solid.,164-166(1993),1085.[15]J.Ni,E.Arnold,Appl.Phys.Lett.,39(1987),554.[16]P.Bruesch,Th.S tockmeier,S tucki,P. A.Bu ffat,J.Appl.Phys.,73(1993),7677.[17]G.G.Qin,J.Q.Jia,Solid State Commun.,86(1993),559.[18]Z.X.M a et al.,Acta Phys.Sin.,47(1998),1033(in Chinese)[马智训等,物理学报,47(1998),1033].THE MICROSTRUCTURE AN D ITS HIGH2TEMPERATUREANNEALING BEHAVIOURS OF a2Si∶O∶H FI LM3W ANG Y ONG2QIAN1)　C HE N C H ANG2Y ONG1)　C HE N W EI2DE1)　Y ANG F U2H UA2)　D IAO H ONG2WEI1)X U Z HE N2J IA1)　Z H ANG S HI2BIN1)　K ONG G UANG2LIN1)　L IAO X IAN2BO1)1)(State K ey Laboratory for Sur face Physics,Institute o f Semiconductor s&Center for Condensed Matter Physics,Chinese Academy o f Sciences,Beijing100083,China)2)(State K ey Laboratory o f Superlattices and Micro structures,Institute o f Semiconductor s,Chinese Academy o f Sciences,Beijing100083,China)(Received30M ay2001;revised manuscript received22June2001)A BSTRACTThe m icrostructure and its annealing behaviours of a2S i∶O∶H film prepared by PEC VD are investigated in detail using m i2 cro2Raman spectroscopy,X2ray photoelectron spectroscopy and In frared absorption spectroscopy.The results indicate that the as2 deposited a2S i∶O∶Hfilm is structural inhom ogeneous,with S i2riched phases surrounded by O2riched phases.The S i2riched phas2 es are found to be nonhydrogenated am orphous silicon(a2S i)clusters,and the O2riched phases S iO x∶H(x≈1.35)are formed by random bonding of S i,O and H atoms.By high2tem perature annealing at1150℃,the S iO x∶H(x≈1.35)matrix is shown to be trans formed into S iO2and S iO x(x≈0.64),during which all of the hydrogen atoms in the film escape and some of silicon atoms are separated from the S iO x∶H(x≈1.35)matrix;The separated silicon atoms are found to be participated in the nucle2 ation and growth processes of solid2phase crystallization of the a2S i clusters,nano2crystalline silicon(nc2S i)is then formed.The m icrostructure of the annealed film is thereby described with a multi2shell m odel,in which the nc2S i clusters are embedded in S iO x(x=0.64)and S iO2.The former is located at the boundaries of the nc2S i clusters,with a thickness com parable with the scale of nc2S i clusters,and forms the transition oxide layer between the nc2S i and the S iO2matrix.K eyw ords:a2S i∶O∶H,nc2S i,m icrostructure,annealingPACC:6140,6146,6170A3Project supported by the National Natural Science F oundation of China(G rant N o.69976028)and by the S tate K ey Development Program for Basic Re2 seach of China(G rant N o.2000028201).2242物理学报50卷。

氢化非晶硅和低温多晶硅

氢化⾮晶硅和低温多晶硅⼀、引⾔随着科技的⻜速发展，太阳能电池作为⼀种可再⽣能源，在我们的⽣活中扮演着越来越重要的⻆⾊。

在这个领域中，氢化⾮晶硅和低温多晶硅是两种常⻅的材料，它们在太阳能电池的制造过程中发挥了关键作⽤。

本⽂将对这两种材料进⾏详细的介绍和分析。

⼆、氢化⾮晶硅氢化⾮晶硅，也称为a-Si:H，是⼀种⼴泛⽤于太阳能电池制造的⾮晶态硅材料。

相⽐于传统的晶体硅材料，氢化⾮晶硅具有更快的⽣产速度、更低的能耗以及更好的环境适应性。

氢化⾮晶硅的主要优势在于其制造过程中的⾼效性和灵活性。

由于其⾮晶态的结构，氢化⾮晶硅在制造过程中可以采⽤连续沉积的⽅法，⼤⼤提⾼了⽣产效率。

此外，其制造⼯艺可以在较低的温度下进⾏，从⽽降低了能耗。

同时，氢化⾮晶硅的柔韧性和稳定性使其能够适应各种不同的应⽤场景。

然⽽，氢化⾮晶硅也存在⼀些缺点。

由于其较低的载流⼦迁移率，氢化⾮晶硅的效率通常低于晶体硅。

此外，氢化⾮晶硅的光衰减问题也限制了其在⾼温和⾼光强度环境下的应⽤。

三、低温多晶硅低温多晶硅，也称为LTPS，是⼀种在相对较低的温度下制备的多晶硅材料。

与传统的晶体硅材料相⽐，低温多晶硅具有更⾼的载流⼦迁移率和更好的稳定性。

低温多晶硅的主要优势在于其⾼效率和良好的稳定性。

由于其多晶结构，低温多晶硅具有较⾼的载流⼦迁移率，从⽽提⾼了太阳能电池的效率。

此外，低温多晶硅的稳定性使其能够在⾼温和⾼光强度环境下保持较⾼的效率。

然⽽，低温多晶硅的制造过程相对复杂，需要在相对较低的温度下进⾏晶体⽣⻓和掺杂。

这导致了其制造成本的增加，并限制了其在⼤规模⽣产中的应⽤。

四、未来展望尽管氢化⾮晶硅和低温多晶硅在太阳能电池制造中都有⼴泛的应⽤，但未来的研究重点仍需放在提⾼效率和降低成本上。

对于氢化⾮晶硅来说，可以通过改进制备⼯艺和掺杂技术来提⾼其载流⼦迁移率，从⽽提升电池效率。

对于低温多晶硅来说，则可以通过优化晶体⽣⻓和掺杂⼯艺来降低制造成本。

此外，随着科技的进步，新型的太阳能电池材料和结构也不断涌现。

非晶硅薄膜研究进展

非晶硅薄膜研究进展非晶硅薄膜及其制备方法研究进展摘要：氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜在薄膜太阳能电池、薄膜晶体管、辐射探测和液晶显示等领域有着重要的应用，因而在世界范围内得到了广泛的关注和大量的研究。

本文主要介绍了a-Si:H薄膜的主要掺杂类型和a-Si:H薄膜的主要制备方法。

关键词：非晶硅薄膜；掺杂；制备方法；研究进展Research Progress on a-Si:H Thin Films and Related PreparationMethodAbstract:Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film has attracted considerable attention and been a subject of extensive studies worldwide on account of its important applications such as thin film solar cells, thin film transistors, radiation detectors, and liquid crystal displays based on its good electrical and optical properties. In this paper, the progress research on a-Si:H thin films and related preparation method are reviewed.Key words: a-Si:H thin films; doped; preparation method; research progress1 引言氢化非晶硅(a-Si:H)是硅和氢的一种合金，网络中Si-H键角和键长的各种分布打乱了晶体硅晶格的长程有序性，从而使非晶硅具有独特的光电性质。

课外百科物理知识点之氢化非晶硅

课外百科物理知识点之氢化非晶硅氢化非晶硅是一种材料，也被称为a-Si:H。

它是一种非结晶材料，由硅和氢组成。

氢化非晶硅在光电子学、太阳能电池、液晶显示器和薄膜晶体管等领域有着广泛的应用。

下面是关于氢化非晶硅的一些重要物理知识点。

1.非晶硅的结构：非晶硅的结构没有规则的长程周期性，原子呈无定型排列。

这是与晶体硅（具有有序晶格结构）的主要区别。

2.氢化非晶硅的制备：氢化非晶硅可以通过热分解硅烷气体制备。

在高温下，硅烷分子（如SiH4）会分解，产生硅原子并沉积在衬底上形成非晶硅薄膜。

同时，氢气也参与反应，与硅原子结合形成氢化非晶硅。

3.带隙：非晶硅的带隙较大，通常在1.7-1.9 eV之间，这意味着非晶硅对可见光的吸收较弱。

与之相比，晶体硅的带隙约为1.1 eV。

这是氢化非晶硅在光电子学中应用广泛的原因之一。

4.光吸收：氢化非晶硅对可见光吸收较弱，但对近红外光的吸收很强。

这使得氢化非晶硅在太阳能电池中具有优势，因为太阳光主要是在可见光和近红外光的范围内。

5.光电效应：氢化非晶硅可以通过吸收光子来产生电子-空穴对。

这种光电效应使得它在光电子学中有着广泛的应用，例如光电二极管和光电传感器。

6.导电性：氢化非晶硅通常是一种半导体材料。

它的导电性可以通过控制杂质浓度来调节。

当硅原子中掺杂少量的杂质（如硼或磷）时，它可以成为导体。

而当硅原子中掺杂较少的杂质（如氧或氮）时，它可以成为绝缘体。

这使得氢化非晶硅在电子器件中有着广泛的应用。

7.热稳定性：氢化非晶硅具有很好的热稳定性。

这意味着它可以在高温下工作而不会发生结构变化或性能下降。

这使得氢化非晶硅在高温环境中的应用成为可能。

总结：氢化非晶硅是一种非晶材料，由硅和氢组成。

它具有广泛的应用领域，包括光电子学、太阳能电池、液晶显示器和薄膜晶体管。

氢化非晶硅的主要特点是带隙较大、光吸收范围广、具有光电效应和热稳定性。

此外，它的导电性可以通过控制杂质浓度来调节。

相比之下，晶体硅具有有序晶格结构，带隙较小，通常用于半导体器件的制造。

SiGe∶H薄膜太阳能电池研究进展

ＫＥＳｈａｏｙｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｏｎｇ，ＹＡＮＧＹｕ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＹｕｎｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００９１）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｂａｓｅｄｏｎｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ（ａ－
关键词ＳｉＧｅ：Ｈ薄膜太阳能电池光谱响应转换效率叠层技术
中图分类号：ＴＭ９１４．４
文献标识码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓ０ｆＳｉＧｅ：ＨＴｈｉｎＦｉＩｍＳｏｌａｒＣｅｌｌ
ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌ１．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｓｏｍｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ
膜在太阳能电池制备方面的优越性及其最新研究进展，总结了提高ＳｉＧｅ：Ｈ薄膜太阳能电池效率的几种方法，着重

氢化非晶硅膜厚分布优化及TFT性能研究

氢化非晶硅膜厚分布优化及 TFT性能研究摘要：氢化非晶硅薄膜因具有优良的光学特性和物理特性，被广泛应用于太阳能电池、传感器和大面积平板显示等领域。

本文采用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）在1.8m×1.5m的基板上制备非晶硅薄膜。

通过调整下电极加热温差设置及电极间距（spacing）来改善膜厚分布，优化产品TFT特性。

关键词：氢化非晶硅；膜厚均一性；电极间距；PECVDStudy on thickness distribution optimization and TFTcharacteristics of hydrogenated amorphous siliconFang Xing1 Fu Xuequn2 Gao Pingyu3Nanjing CEC Panda LCD Tecnology Co.,Ltd Nanjing, Jiangsu 210000Abstract：Hydrogenated amorphous silicon thin films are widely used in solar cells, sensors and large area flat panel displays fields with their excellent optical and physical properties. In this paper, the hydrogenated amorphous silicon thin films were prepared on 1.8m × 1.5m substrates by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).The film thickness uniformity was improved and the TFT characteristics were optimized by adjusting the susceptor heating temperature and electrode spacing.Key words: Hydrogenated amorphous silicon；plasma enhanced chemical vapor deposition ；thickness uniformity；electrode spacing1 引言TFT-LCD在显示技术行业中，因工艺成熟，材料体系完整，产品性能稳定等特点占有相当大优势地位。

P型a-Si薄膜电极制备和气体氢化处理对其结构和电化学储氢性能的影响

P型a-Si薄膜电极制备和气体氢化处理对其结构和电化学储氢性能的影响P型a-Si薄膜电极制备和气体氢化处理对其结构和电化学储氢性能的影响近年来，氢能作为一种清洁、可再生的能源受到了广泛的关注。

而储氢材料的性能对氢能的实际应用起着至关重要的作用。

P型a-Si薄膜电极作为一种潜在的储氢材料，在其制备和气体氢化处理过程中会对其结构和电化学储氢性能产生重要影响。

首先，我们来了解一下P型a-Si薄膜电极的制备过程。

P 型a-Si薄膜电极的制备通常采用射频磁控溅射技术。

该技术以高纯度硅靶为材料，将电子束获得的离子轰击高纯度硅靶而产生的粒子沉积于基底上，从而形成P型a-Si薄膜。

制备过程中，可以通过调节溅射功率、沉积速率和氩气/氢气比例等工艺参数来调控薄膜的结构和性能。

然后，我们来研究一下气体氢化处理对P型a-Si薄膜电极的影响。

气体氢化处理是将P型a-Si薄膜暴露在氢气环境中，使其与氢气发生化学反应，形成P型a-Si:H（氢化非晶硅薄膜）。

气体氢化处理过程中，氢原子能够与P型a-Si薄膜中的杂质原子形成化学键，从而改变薄膜的结构和性质。

氢原子的浓度、处理时间和温度等因素都会对氢化处理后的薄膜性能产生影响。

接下来，我们来看一下P型a-Si薄膜电极的结构和电化学储氢性能的变化。

研究表明，P型a-Si薄膜电极经过气体氢化处理后，其晶体结构发生了显著变化。

通过扫描电子显微镜和透射电镜观察发现，P型a-Si薄膜中的晶体颗粒尺寸减小，晶体有序度提高，晶体缺陷减少。

此外，氢化处理还引入了更多的氢原子，并提高了薄膜的导电性。

这些结构和性能的变化对其电化学储氢性能产生了显著影响。

最后，我们来分析一下气体氢化处理对P型a-Si薄膜电极电化学储氢性能的影响。

研究发现，气体氢化处理后的P型a-Si薄膜电极在储氢性能方面表现出了良好的性能。

P型a-Si薄膜电极经过氢化处理后，其储氢容量明显增加，循环稳定性得到提高，电化学活性增强。

此外，气体氢化处理还降低了薄膜电极的充放电电荷传递电阻，提高了储氢速率。

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廖乃镘:男,1979年生,博士研究生,从事氢化非晶硅红外敏感薄膜材料研究　Tel :028*********　E 2mail :liaonaiman @ 李伟:通讯联系人,教授,博士生导师　Tel :028*********　E 2mail :wli @氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜稳定性的研究进展廖乃镘,李　伟,蒋亚东,匡跃军,李世彬,吴志明(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054) 摘要氢化非晶硅(a 2Si ∶H )是一种重要的光敏感薄膜材料,其稳定性的好坏是决定能否应用于器件的重要因素之一。

介绍了a 2Si ∶H 薄膜稳定性的研究进展,论述了a 2Si ∶H 薄膜的稳定性与Si 2Si 弱键的关系,分析了光致衰退效应(S 2W 效应)产生的几种机理,提出了在薄膜制备和后处理过程中消除或减少Si 2Si 弱键以提高a 2Si ∶H 薄膜稳定性的方法。

关键词氢化非晶硅　稳定性　光致衰退效应　物理模型　稳定化处理R ecent Progresses on the Stability of H ydrogenated Amorphous Silicon Thin FilmsL IAO Naiman ,L I Wei ,J IAN G Yadong ,KUAN G Yuejun ,L I Shibin ,WU Zhiming(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices ,U ESTC ,Chengdu 610054)Abstract The a 2Si ∶H thin film is an important light 2sensitive material that has received significant attentionnowadays because of its unique properties.The stability of this thin film is a key factor which is fatal in the application of commercial devices.This paper summarizes and commends some researches on the stability of a 2Si ∶H thin films based on recent literature ,and discusses the relationship between the weak bonding of Si 2Si and the stability of the films.It introduces the mechanisms of light 2induced degeneration of a 2Si ∶H thin films and also recommends some methods of film fabrication and post 2treatment techniques in order to reduce the weak bonding of Si 2Si in a 2Si ∶H thin films.K ey w ords a 2Si ∶H ,stability ,light 2induced degeneration ,physical model ,stabilization treatment 0　前言氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜具有光吸收率高、电阻温度系数(TCR )相对较大(1.8～8%/K )[1]、禁带宽度可控、可大面积低温(<400℃)成膜、基片种类不限、生产工艺较简单、与硅半导体工艺兼容等突出优点,在红外成像、太阳能电池、液晶显示、复印机感光鼓等领域得到快速发展。

众所周知,在无掺杂a 2Si 薄膜中,由四配位Si 原子组成的无规网络具有很高的内应力。

为了减小内应力,a 2Si 无规网络中的弱Si 2Si 键有自发断裂倾向,形成三配位的Si 原子和1个悬挂键缺陷。

所以,无掺杂的a 2Si 薄膜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。

a 2Si ∶H 中引入的H 原子饱和或部分饱和了a 2Si 薄膜中的悬挂键(DB )缺陷态,使它的DB 密度大大下降(可以降低到(1～5)×1015cm -3),使a 2Si ∶H 薄膜成为一种十分重要的光电材料。

然而,可移动H 的存在也带来了一些不利的影响,如H 原子在a 2Si ∶H 薄膜中扩散,容易引起弱Si 2Si 键的断裂和H 的聚集,导致悬挂键的移动和悬挂键密度的增加等。

事实上,10at %的H (约5×1021cm -3)才能大幅度减少DB 密度,比实际a 2Si ∶H 薄膜中的DB 密度大了1～2个数量级,所以H 在a 2Si ∶H 薄膜中的利用效率是很低的[2]。

此外,H 在a 2Si 薄膜中不只是以Si 2H 键方式存在,同时还存在(Si H HSi )n 、分子氢(H 2)及双原子氢化合物等键合方式,而只有Si 2H 键合方式的H 才对增强红外吸收起重要作用。

上述a 2Si ∶H 薄膜中的H 在受到光照后会发生不同的反应,如H 扩散、H 逸出、产生新的复合中心和陷阱中心等,从而改变a 2Si ∶H 中薄膜H 的键合方式、分布状态、含量和悬挂键密度,使a 2Si ∶H 薄膜的光电特性发生变化。

要使a 2Si ∶H 材料在器件上得到广泛应用,就要求它具有低的DB 密度和稳定的光电特性(长时间使用后性能不变)。

但是,由于光致衰退效应(即S 2W 效应)的存在,会使基于a 2Si ∶H 薄膜材料的器件性能降低甚至失效,这是a 2Si ∶H 器件化应用的重大障碍之一。

本文总结了近年来a 2Si ∶H 薄膜材料稳定性的研究进展,分析了S 2W 效应产生的机理及消除或减小这种效应的方法。

1　S 2W 效应机理及物理模型a 2Si ∶H 薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为Steabler 2Wronski 效应[3]。

这是制约a 2Si ∶H 薄膜应用的主要原因。

只有正确理解S 2W 效应的机理,才能解决好a 2Si ∶H 薄膜的稳定性问题。

对S 2W 效应的起因,至今仍有不少争议,造成衰退的微观机制也尚无定论,成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。

总的看法认为,S 2W 效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响a 2Si ∶H 薄膜材料的费米能级E F 的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。

这些缺陷态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。

在a 2Si ∶H 薄膜材料中,能够稳定存在的是Si 2H 键和与晶体硅类似的Si 2Si 键,这些键的键能较大,不容易被打断。

由于a 2Si ∶H 材料结构上的无序,使得一些Si 2Si 键的键长和键角发生变化而使Si 2Si 键处于应变状态。

高应变Si 2Si 键的化学势与H 相当,可以被外界能量打断,形成Si 2H 键或重新组成更强的Si 2Si 键。

如果断裂的应变Si 2Si 键没有重构,则a 2Si ∶H 薄膜的悬挂键密度增加。

为了更好地理解S 2W 效应产生的机理并控制a 2Si ∶H 薄膜中的悬挂键,以期寻找稳定化处理方法和工艺,20多年来,国内外科学工作者进行了不懈的努力,提出了大量的物理模型,主要有弱键断裂(S J T )模型[4]、“H 玻璃”模型[5]、H 碰撞模型[6]、Si 2H 2Si 桥键形成模型[7]、“defect pool ”模型[8]等,但至今仍没有形成统一的观点。

1.1　弱键断裂(SJT)模型第一个被许多研究者接受的S 2W 效应模型是Stutzmann 、J ackson 和Tsai 在1985年提出来的,所以也可以称之为S J T 模型[4]。

这个模型描述为:两个载流子在弱Si 2Si 键附近复合;载流子复合的一部分能量以声子的非辐射方式释放出来,使膜中弱Si 2Si 键断裂,生成两个临时悬挂键(DB );这两个悬挂键(DB )有可能重新形成与原来一样的Si 2Si 弱键,但为了达到更稳定的亚稳状态,邻近原子在小范围内发生重构,新生的悬挂键(DB )与Si 2X (X 为除Si 外的原子)键交换位置而达到相对稳定,如图1所示。

图1　SJT 模型中S 2W 效应的微观机理Fig.1　The microscopic mechanism of the S 2W effect in SJT model1.2　“H 玻璃”模型针对热平衡DB ,Street 等提出了“H 玻璃”模型[5],认为H 从Si 2H 键中脱离出来并在a 2Si ∶H 中移动,这种移动的H 造成了弱Si 2Si 的热力学断裂,由此形成两个悬挂键DB 缺陷,如图2所示。

其中D W 表示弱键断裂形成的悬挂键,D H 表示H 脱离后形成的悬挂键。

所以,这种模型也叫作弱键2悬挂键转换模型。

图2　“H 玻璃”模型中悬挂键形成的示意图Fig.2　Schem atic illustration of d angling bond form ationcorresponding to H 2glass model1.3　H 碰撞模型Branz 提出的a 2Si ∶H 光致衰退模型认为[6]:由于光诱导作用而使Si 2H 键断开,形成1个悬挂键和1个可移动的H 原子。

当两个可以自由移动的H 原子在运动过程中在弱Si 2Si 键附近发生碰撞时,弱的Si 2Si 键断裂,形成了亚稳的不可移动的化合物(Si 2H )2,增加了2个悬挂键。

这样就造成了a 2Si ∶H 中H 原子的聚集和悬挂键的增多,导致了薄膜性能的恶化。

1.4　Si 2H 2Si 桥键模型Sriraman 等[7]利用分子动力学模拟和表面红外光谱试验,揭露了H 等离子导致非晶硅(a 2Si )晶化的机理,提出了最新的Si 2H 2Si 桥键模型。

首先,H 原子在薄膜中扩散,插入到弱Si 2Si 键中形成Si 2H 2Si 中间体;接着,H 从Si 2H 2Si 中间体中逸出,弱Si 2Si 断开或发生结构弛豫进行局部结构重组,从而形成强Si 2Si 键,这时Si 2Si 的键长和键角非常接近晶体硅。

1.5　“defect pool ”模型Powell 等[8]在热平衡DB 和光生DB 的基础上,考虑到形成带尾态的弱Si 2Si 键与造成分布宽的能隙态DB 之间的可能转换,提出了“defect pool ”模型。