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氢化非晶硅薄膜的晶化处理研究

氢化非晶硅薄膜的晶化处理研究

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作者：李志电子科技大学

学位级别：硕士

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。但是,氢化非晶硅薄膜存在光致衰退(S-W)效应,是其在进一步应用中的一个瓶颈。为了解决... 详细信息

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。但是,氢化非晶硅薄膜存在光致衰退(S-W)效应,是其在进一步应用中的一个瓶颈。为了解决这一难题,提出了很多意在消除或降低S-W效应的方法。研究发现,通过对氢化非晶硅薄膜进行纳米晶化处理,可明显抑制S-W效应,进而可有效提高薄膜的性能稳定性。本文基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备方法,通过对硅烷等反应气体进行氩气稀释和对磷掺杂氢化非晶硅薄膜进行氩等离子体退火的方法,借助多种现代分析测试方法,研究了气体稀释比、射频功率密度和退火时间等对氢化非晶硅薄膜晶化的影响;研究了晶化过程中薄膜微结构、表面形貌和光电性能的变化。取得了如下一些应用基础研究结果:(1)随着氩气/硅烷稀释比的提高,氢化非晶硅薄膜的微结构发生了明显的变化。当稀释比提高到一定程度时,非晶硅薄膜的晶化率随着稀释比的提高而增加,内部的纳米晶粒也随着稀释比的提高而长大,而薄膜的表面质量随之得到改善。硅薄膜对紫外-可见光的吸收随着晶化率的提高而降低,光学带隙同时减小。透射电镜研究表明,薄膜中含有数量不少的纳米晶体,表明此时薄膜已经成为“部分晶化”的非晶硅薄膜,即所谓的“类晶体”。(2)射频功率密度对氢化非晶硅薄膜晶化的影响较为复杂。过度提高射频功率密度会对薄膜的晶化率和晶粒尺寸造成不利影响。只有射频功率密度的选取比较合理时,才会对氢化非晶硅薄膜的晶化效果产生最有利的影响。(3)通过对氩等离子内部Ar*和Ar+这两种高能粒子的研究和分析,解释了氩气稀释过程中稀释比和射频功率密度对薄膜晶化的不同表现。Ar*相对于Ar+来说更为温和,对非晶硅薄膜内纳米晶粒的生长和薄膜的综合质量更为有利。提高氩气稀释比能有效提高Ar*的含量,有利于薄膜质量的改善;当射频功率密度提高到一定程度后,氩等离子体内Ar+的含量会激增,不利于薄膜质量的提高。(4)采用氩等离子体退火技术对磷掺杂氢化非晶硅薄膜进行了退火晶化处理,发现薄膜的微结构和电学性能发生了较大的变化。激光拉曼光谱和透射电镜分析表明,薄膜内部生长出条状纳米晶粒,并且随着退火时间的延长,薄膜的晶化程度逐渐加深,纳米晶粒尺寸同时增大。但是,表面电阻测试表明,等离子退火时间的延长会对薄膜的表面电阻产生不利的影响,导致薄膜的表面暗电导率降低,暗电导激活能增大,这可能是薄膜表面等离子损伤的结果。

关键词：氢化非晶硅薄膜 PECVD 氩气稀释晶化氩等离子体退火光电性能

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