PECVD裂解SiCl4低温快速沉积氢化纳米晶硅薄膜的研究

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	PECVD裂解SiCl4低温快速沉积氢化纳米晶硅薄膜的研究
	张林
学位类型	博士
导师	闻立时
	2012
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料加工工程
关键词	等离子体增强化学气相沉积法氢化纳米硅薄膜微观结构 Pecvd Nc-si:h Film Microstructure
摘要	" 氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜具有导电性好、光致衰减率低、光吸收率较高、与Si半导体工艺兼容等特点，在太阳能电池领域具有广泛的应用前景。然而，nc-Si:H薄膜制备的高成本和沉积速率较低的问题至今没有根本解决，因此，研究人员针对此难点开展了大量的研究工作。目前成熟的方法是采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）裂解硅烷(SiH4)沉积nc-Si:H薄膜，此过程需要较高的氢气稀释率（>98%），导致薄膜沉积速率和质量的降低。本文采用电容耦合射频PECVD法裂解四氯化硅（SiCl4），在低温下可控沉积了nc-Si:H薄膜，利用多种现代分析测试方法，研究了衬底温度、氢气流量和氩气流量对nc-Si:H薄膜微观结构、H含量、悬挂键缺陷密度和光学性能的影响。实验表明，Cl原子覆盖于生长表面有利于nc-Si:H的低温生长。在衬底温度Ts = 120oC时，通过生长条件的调节（氢气流量和氩气流量），可以实现硅薄膜从非晶态到纳米晶之间的转变，同时，降低了薄膜中异质元素Cl和H的含量和薄膜中未成对电子自旋密度。根据实验结果，总结了SiCl4体系中，nc-Si:H薄膜沉积的特点。利用椭圆偏振法确定了薄膜的沉积速率和光学参数。与传统的SiH4体系相比，在低温下（Ts = 120oC），本实验所需氢气的稀释比例较小，nc-Si:H薄膜的沉积速率较快。薄膜的光学带隙为（2.05 eV ~ 2.2 eV），比传统的nc-Si:H薄膜的光学带隙大（1.6 eV ~ 2.0 eV），是理想的窗口层材料。根据薄膜低温生长规律，在衬底温度为Ts = 110oC条件下，成功地在PET柔性衬底上可控制备了nc-Si:H薄膜，讨论了薄膜的微观结构和沉积条件的关系。为柔性薄膜太阳能电池提供了新的制备工艺。为了实现nc-Si:H薄膜的低温制备，并降低薄膜中的Cl含量。我们利用等离子体后期处理，研究了薄膜微观结构和Cl原子含量的变化规律。与传统SiH4裂解法所制备的硅薄膜不同，在等离子体后期处理过程中，氢等离子体并不能改变薄膜的微观结构，只有氩气等离子体能实现薄膜结构从非晶到纳米晶的转变。本文采用电容耦合射频PECVD法裂解四氯化硅（SiCl4），在低温下可控沉积了nc-Si:H薄膜，利用多种现代分析测试方法，研究了衬底温度、氢气流量和氩气流量对nc-Si:H薄膜微观结构、H含量、悬挂键缺陷密度和光学性能的影响。实验表明，Cl原子覆盖于生长表面有利于nc-Si:H的低温生长。在衬底温度Ts = 120oC时，通过生长条件的调节（氢气流量和氩气流量），可以实现硅薄膜从非晶态到纳米晶之间的转变，同时，降低了薄膜中异质元素Cl和H的含量和薄膜中未成对电子自旋密度。根据实验结果，总结了SiCl4体系中，nc-Si:H薄膜沉积的特点。利用椭圆偏振法确定了薄膜的沉积速率和光学参数。与传统的SiH4体系相比，在低温下（Ts = 120oC），本实验所需氢气的稀释比例较小，nc-Si:H薄膜的沉积速率较快。薄膜的光学带隙为（2.05 eV ~ 2.2 eV），比传统的nc-Si:H薄膜的光学带隙大（1.6 eV ~ 2.0 eV），是理想的窗口层材料。根据薄膜低温生长规律，在衬底温度为Ts = 110oC条件下，成功地在PET柔性衬底上可控制备了nc-Si:H薄膜，讨论了薄膜的微观结构和沉积条件的关系。为柔性薄膜太阳能电池提供了新的制备工艺。为了实现nc-Si:H薄膜的低温制备，并降低薄膜中的Cl含量。我们利用等离子体后期处理，研究了薄膜中微观结构、Cl原子含量的变化规律。和传统SiH4裂解法所制备的硅薄膜不同，在等离子体后期处理过程中，氢等离子体并不能改变薄膜的微观结构，只有氩气等离子体能实现薄膜结构从非晶到纳米晶的转变。"
其他摘要	" Hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) thin films have attracted much more attention for use in thin film solar cells, due to its high carrier mobility, stable electronic properties against light-induced degradation, enhanced optical absorption and compatibility with semiconductor technology. However, in order to promote the development of PV industry, a large number of studies at present are to be carried on lowering cost, enhancing deposition rate and controlled preparation of nc-Si:H films. Mostly, the nc-Si:H films are prepared by the decomposition of highly diluted silane (SiH4) with hydrogen (H2) in plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. However, the use of extremely high H2 dilution leads to the reduction of deposition rate and deterioration of material quality after a prolonged illumination in hydrogen plasma. In this dissertation, the nc-Si:H films are deposited on low-temperature substrate by dissociation of tetrachloride silicon in capacity coupled PECVD system. The influence of substrate temperature, hydrogen flow rate and argon flow rate on the micro-structure, hydrogen content and optical properties of nc-Si:H films, have been investigated by means of many modern characterization methods. The results demonstrate that silicon surface terminated by Cl atoms promote the low-temperature growth of nc-Si:H films. At lower-substrate temperature (Ts = 120oC), the microstructure transition from amorphous to nanocrystalline silicon is defined in terms of the hydrogen flow rate and argon flow rate, and the meantime, the Cl、H content and spin density of unpaired electrons are reduced. Basing on the results, we have analyzed the growth features of nc-Si:H films by dissociation of SiCl4. The deposition rate and optical constants of nc-Si:H films have been intensively studied by Ellipsometry. Compared with the SiH4 system mostly used, the deposition rate is higher with low hydrogen dilution ratio at Ts = 120oC. The nc-Si:H film is compatible for use as window layer, due to its higher optical gap (2.05 eV~2.2 eV) compared with the traditional nc-Si:H film deposited in SiH4 system. According to the growth behavior of nc-Si:H films deposited on glass substrate, we successfully deposited nc-Si:H films on PET substrate at Ts = 110oC, and investigated the influence of deposition parameters on the microstructure of films. It is a new method to fabricate flexible solar cells. In order to reducing deposition temperature and Cl content in the nc-Si:H films. We investigated the change of microstructure and Cl content of a-Si:H film under argon-plasma treatment. We found that no induced-crystallization in intrinsic a-Si:H films under hydrogen plasma, and the argon plasma treatment induce the transition from amorphous to nanocrystalline structure."
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64477
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张林. PECVD裂解SiCl4低温快速沉积氢化纳米晶硅薄膜的研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2012.