高速沉積大面積均勻氫化非晶硅薄膜及其優(yōu)異的光電特性的研究.pdf

1、本文以高速制備兼具優(yōu)異光電特性和高穩(wěn)定性的氫化非晶硅薄膜為主要研究?jī)?nèi)容，從設(shè)備改進(jìn)和性能分析、薄膜制備工藝兩方面展開(kāi)自己的研究工作。 由于單磁場(chǎng)線圈微波電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(MWECRCVD)系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)微波吸收效率不高。為了提高系統(tǒng)的性能，我們對(duì)其微波窗口、耦合波導(dǎo)、磁場(chǎng)分布等都進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中，選擇多層不同介電常數(shù)的絕緣板組成微波輸入窗，來(lái)達(dá)到阻抗匹配和抑制功率反射，增加微波吸收功率和提高等離子密度的目的

2、，采用Al2O3陶瓷和BN組成的微波輸入窗。這種設(shè)計(jì)，一方面能很好地保護(hù)微波系統(tǒng)，另一方面又能使微波高效地饋入，效率高：同時(shí)采用三角形均銅片的耦合矩形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，使微波轉(zhuǎn)換功率達(dá)92％；磁場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)上，通過(guò)改變磁場(chǎng)線圈電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)線圈電流減小時(shí)，ECR區(qū)位置朝微波窗口方向移動(dòng)，將更有利于提高微波的吸收。采用磁場(chǎng)電流為115.2A產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，可以使微波的功率吸收在1分鐘內(nèi)達(dá)到92.3％，18分鐘內(nèi)達(dá)到94.6％。在沉積室的磁場(chǎng)

3、分布的改變，還可以通過(guò)在襯低下面放置永磁體的方法來(lái)獲得，采用這種方法，在沉積室內(nèi)可以得到由原先的發(fā)散的磁場(chǎng)分布改變?yōu)橐环N先發(fā)散再收斂的磁場(chǎng)分布。這些研究工作對(duì)同類沉積系統(tǒng)提供了有益的技術(shù)參考。 由于磁場(chǎng)梯度對(duì)制備氫化非晶硅薄膜有直接的影響，而磁場(chǎng)分布的定量研究至今還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。本文用Lorentzian擬合方法定量地得到了三種形貌磁場(chǎng)的磁場(chǎng)梯度值。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在襯底附近，磁場(chǎng)線圈電流137.7A并在加熱臺(tái)下面放置釤鈷永磁體

4、的磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)梯度最大，其次為磁場(chǎng)線圈電流137.7A磁場(chǎng)分布，磁場(chǎng)梯度最小的為磁場(chǎng)線圈電流115.2A磁場(chǎng)分布的情況；同時(shí)，磁場(chǎng)梯度對(duì)薄膜沉積速率有很大的影響，磁場(chǎng)梯度大，沉積速率大，在磁場(chǎng)線圈電流為137.7A并加放永磁體的方法產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布下，得到最高沉積速率約為17埃每秒；磁場(chǎng)梯度對(duì)薄膜的均勻性有一定的影響，在磁場(chǎng)梯度大的條件下沉積的樣品其均勻性要差；同時(shí)，磁場(chǎng)梯度對(duì)a-Si：H薄膜的光電特性影響較大，在溫度不太高時(shí)，磁場(chǎng)梯度

5、大，制備的a-Si：H薄膜光敏性較好。這種用Lorentzian擬合定量地得到形貌磁場(chǎng)的磁場(chǎng)梯度值的方法，對(duì)所有的同類個(gè)體系統(tǒng)都適用。 用Maley和Langford等人發(fā)展的紅外透射譜分析技術(shù)計(jì)算H含量，能較好地消除誤差。但是在計(jì)算單磁場(chǎng)線圈MWECRCVD系統(tǒng)沉積的氫化非晶硅薄膜時(shí)，還發(fā)現(xiàn)有較大的偏差。為此，本文對(duì)這一技術(shù)在計(jì)算氫含量時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)因子F值較小的情況下，薄膜折射率接近3.4或薄膜厚度

6、值d=0.71～0.89μm時(shí)，計(jì)算得到的氫含量是可靠的。為了計(jì)算得到可靠的氫含量值，實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將樣品厚度沉積為0.710～0.89μm之間，這一工作為用紅外透射譜準(zhǔn)確地得到氫含提供了方法和理論上的指導(dǎo)。另外，本文首次提出用紅外透射譜分析技術(shù)分析薄膜結(jié)構(gòu)均勻性。 在大面積內(nèi)達(dá)到薄膜的均勻性研究方面，我們通過(guò)改進(jìn)矩形耦合波導(dǎo)和熱絲輔助及減小磁場(chǎng)線圈電流的方法，用HW-MWECRCVD系統(tǒng)，在直徑為6cm的襯底上，沉積得到了厚度均勻

7、性＜3.5％的a-Si：H薄膜。認(rèn)為對(duì)于單磁場(chǎng)線圈MWECRCVD系統(tǒng)，ECR區(qū)的不均勻性和沉積室的磁場(chǎng)梯度的不均勻，是影響薄膜均勻性的主要原因，在研究方法上，通過(guò)紫外-可見(jiàn)透射譜技術(shù)計(jì)算薄膜各個(gè)位置的擬合厚度值來(lái)研究薄膜的厚度不均勻性，用紫外-可見(jiàn)透射譜和紅外吸收譜峰寬度等技術(shù)來(lái)研究薄膜的結(jié)構(gòu)不均勻性，這種研究薄膜結(jié)構(gòu)均勻性的方法，未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。 為了得到具有較高的光電導(dǎo)穩(wěn)定性和優(yōu)異的光電特性，進(jìn)行了兩相結(jié)構(gòu)薄膜的制備的研究

8、工作。首先，用MWECRCVD系統(tǒng)制備了微晶硅薄膜，表明，在較高的微波功率(例如500W)的條件下，低沉積壓(例如0.7Pa以下)和高的襯底溫度(170℃以上)是制備得到微晶硅薄膜的重要因素。同時(shí)，用Raman譜分析了薄膜中晶相體積比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜中晶相體積比增加時(shí)，其光敏性將下降，μτ乘積值迅速增大，當(dāng)體積晶相比為30％左右時(shí)，樣品兼具很好的光電導(dǎo)穩(wěn)定性和優(yōu)良的光電特性，其光敏性約為104，μτ乘積值約為10-5。其次，在HW-MWEC

9、RCVD系統(tǒng)下，用氫等離子體處理間隙生長(zhǎng)堆積層表面(LBL)技術(shù)制備了一系列不同薄膜厚度的μc-Si：H薄膜。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜厚度在0.55μm以下時(shí)，樣品具有較為典型的非晶硅特征，光電導(dǎo)衰退率很大；當(dāng)薄膜厚度為0.60μm-0.70μm之間時(shí)，樣品兼?zhèn)浞蔷Ш臀⒕У奶攸c(diǎn)，在這一厚度值范圍內(nèi)，光電導(dǎo)隨薄膜厚度變化非常敏感，光電導(dǎo)衰退率較小，例如厚度為0.70μm的樣品，其光電衰退率約為11％；當(dāng)薄膜厚度為0.80μm以上時(shí)，薄膜表現(xiàn)為明顯的微

10、晶硅性質(zhì)，光電導(dǎo)衰退率非常小，其光電衰退率約為8％，通過(guò)模擬光照53.5小時(shí)，其光電導(dǎo)幾乎不再發(fā)生變化。這種LBL技術(shù)能實(shí)現(xiàn)控制沉積微晶硅薄膜的厚度，制備出適合制備太陽(yáng)電池的微晶薄膜，具有重要的實(shí)用價(jià)值；另外，提出的用高斯擬合得到足夠長(zhǎng)的模擬光照時(shí)間的方法，可以研究光電導(dǎo)在長(zhǎng)時(shí)間的光照下衰退行為。第三，用HW-MWECRCVD制備得到了na-Si：H薄膜。薄膜制備過(guò)程采用二步法，用低氫稀釋沉積a-Si：H層，用高氫稀釋沉積nc-Si層。

11、當(dāng)用來(lái)沉積nc-Si層的硅烷濃度SiH4/(SiH4+H2)=0.143時(shí)，得到最寬光學(xué)帶隙為1.89eV、最低氫含量9.5％、最高晶相比65.4％及高光敏性1.43×105的na-Si：H薄膜。這種特異的薄膜材料有望制備性能優(yōu)異非晶硅太陽(yáng)電池。 本文還報(bào)道了在原子氫的氣氛下用熱退火的同時(shí)進(jìn)行光誘導(dǎo)退的方法得到穩(wěn)定的氫化晶硅薄膜的研究結(jié)果。利用HW-ECRCVD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)退火實(shí)驗(yàn)。雖然不同退火方法處理的樣品的光電導(dǎo)率衰退都

12、能很好地符合擴(kuò)展指數(shù)規(guī)律，但用光誘導(dǎo)退火處理的樣品與其它方法處理的樣品相比，其光電導(dǎo)率衰退有明顯的不同。光電導(dǎo)率的飽和值可以通過(guò)用認(rèn)為足夠長(zhǎng)的模擬光照時(shí)間代入光電導(dǎo)率的擬合方程得到。這樣根據(jù)光電導(dǎo)和光照時(shí)間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的表示，由斜率和截距得到β和τ的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，TLAH方法處理的樣品，其穩(wěn)定性、薄膜微結(jié)構(gòu)和光電特性能得到很好的改善；同時(shí)其光學(xué)帶隙明顯地減??；PL譜峰顯著地向著低能方向移動(dòng)；費(fèi)米能級(jí)移向帶隙中央，其激活能為0.5