β-FeSi2半导体薄膜制备及其光电性能研究

摘要

β-FeSi2是一种具有（准）直接带隙的半导体材料，禁带宽度为0.85 eV，在1300 nm光吸收系数高达105 cm-1，比晶硅材料高两个数量级以上，因此230 nm就可实现对太阳光近红外波段的充分吸收。β-FeSi2通过掺杂还可以实现其 p型导电和 n型导电，满足太阳能电池材料电学性能的基本要求。再加上其原料充足、环境友好、稳定耐用，而被称为环保型半导体，也是继 Si和 GaAs之后的第三代半导体。
　　本文采用远源等离子体溅射（HiTUS）Fe-Si组合靶的方法，通过快速热退火，在Si(111)衬底上制备了低缺陷、高质量的单相纳米晶β-FeSi2薄膜，并对其性能进行了表征和分析，结论如下：
　　1、β-FeSi2薄膜制备
　　(1)通过控制Fe-Si组合靶中Fe与Si的原子比例，可有效控制沉积薄膜的成分。当Fe:Si比例调整为1:4和1:5时，经过高温快速退火后，均可形成单相多晶β-FeSi2薄膜，属于纳米晶结构，并出现明显择优取向。
　　(2)退火温度对β-FeSi2薄膜的物相结构有极大影响。研究表明，未经退火或者退火温度不高于400℃时，制备的薄膜样品均为非晶β-FeSi2；当退火温度提高到500℃时，非晶β-FeSi2薄膜出现一定结晶趋势；当退火温度提高到600℃以上时，制备的薄膜样品均为多晶β-FeSi2薄膜，并出现明显择优取向。
　　(3)采用场发射扫描电镜观察薄膜样品的表面形貌，明显看出β-FeSi2薄膜样品表面连续、均匀，无明显缺陷存在。
　　(4)对β-FeSi2薄膜样品进行纳米压痕力测试，可以看出薄膜样品力学性能优越，具备较高的耐磨性和稳定性，可有效延长半导体材料的使用寿命。
　　2、β-FeSi2薄膜光电性能
　　(1)不同条件下制备的β-FeSi2薄膜样品，均与Al电极形成良好的欧姆接触。β-FeSi2薄膜的电阻率都随着退火温度的变化而变化，并在退火温度达到600℃时发生突变。当退火温度不高于500℃时，非晶β-FeSi2薄膜电阻率变化不大；当退火温度提高到600℃以上时，由于薄膜晶化，电阻率大幅提高，并随着退火温度的升高而不断增大。
　　(2)β-FeSi2薄膜样品的载流子浓度和霍尔迁移率随着退火温度的变化而发生变化。当退火温度不高于500℃时，非晶β-FeSi2薄膜样品载流子浓度较高，但霍尔迁移率比较低；当退火温度提高到600℃以上时，由于薄膜晶化，载流子浓度和霍尔迁移率均发生突变，前者大幅降低，后者有所提高。另外，β-FeSi2薄膜经过较低温度退火后（不高于600℃），均形成p型半导体；当退火温度提高到700℃和800℃时，β-FeSi2薄膜导电类型发生改变，均变为n型半导体。其中， Fe:Si比例为1:5时，经过800℃快速退火获得的β-FeSi2薄膜样品电学性能最为优异，是载流子浓度为4.05×1017 cm-3、迁移率为21.01 cm2/V·s的n型半导体。
　　(3)根据工艺不同，获得的β-FeSi2薄膜样品的禁带宽度介于0.72 eV和0.85 eV之间，光学结晶度和载流子浓度是影响β-FeSi2半导体材料光电性能的主要因素。当Fe:Si比例为1:5时，经过800℃快速退火获得的β-FeSi2薄膜具有最大的直接带隙，其禁带宽度为0.85 eV，与硅半导体材料能带匹配最好，更符合薄膜太阳电池对半导体材料光电性能的要求。
　　综上所述，本文采用HiTUS成功制备出非晶和纳米晶β-FeSi2薄膜，且薄膜样品表面连续、成膜均匀、力学性能优越。当Fe:Si比例为1:5时，经过800℃快速退火获得的β-FeSi2薄膜光电性能最为优异，是载流子浓度为4.05×1017 cm-3、迁移率为21.01 cm2/V·s的n型半导体，其禁带宽度为0.85 eV，属于理想的薄膜太阳电池材料，本文的研究为其在光伏领域的应用打下基础。

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1 绪论

1.1 薄膜太阳电池的基本介绍

1.2 β-FeSi2薄膜的基本介绍

1.3 β-FeSi2薄膜的制备方法

1.4 本论文的研究内容

2 研究方法

2.1 薄膜制备：远源等离子体溅射系统

2.2 靶材的选择

2.3 衬底的清洗

2.4 等离子体溅射生长β-FeSi2薄膜

2.5 电极的制备

2.6 试样性能测试和表征方法

3 β-FeSi2薄膜的制备及结构形貌分析

3.1 β-FeSi2薄膜的制备及物相表征

3.2 β-FeSi2薄膜沉积速率的测定

3.3 β-FeSi2薄膜的微观形貌分析

3.4 β-FeSi2薄膜的力学性能分析

3.5 本章小结

4 β-FeSi2薄膜的光电性能的研究

4.1 β-FeSi2薄膜样品制备

4.2 β-FeSi2薄膜电学性能的表征

4.3 β-FeSi2薄膜光学性能的表征

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢