氢化纳米硅（nc-Si：H）薄膜及其掺杂

摘要

氢化纳米硅(nc-Si：H)薄膜是一种具有纳米结构的半导体复合薄膜材料，由随机取向的粒径尺度在100nm以下的硅微晶颗粒及厚度约为几个原子层的大量晶间界面组成。因为薄膜的两相结构及膜中硅微晶粒的量子尺寸效应而体现出不同于单晶硅和其它硅薄膜材料的高电导率、室温下可见光的光致发光、量子点特征及高压力灵敏系数等性质，具有良好的应用前景。 本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，分别使用高氢稀释法和layer-by-layer逐层生长/刻蚀法制备不掺杂和掺杂的氢化纳米硅薄膜材料。测试了薄膜的光电性能并通过扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼散射谱、红外吸收谱等手段对其结构进行表征。 实验表明，在使用高氢稀释法沉积氢化纳米硅薄膜时，氢稀释度对沉积薄膜的状态起主要作用，随氢稀释度的增加，沉积的硅薄膜逐渐由非晶态转变为部分晶态直至纳米晶态，由X射线衍射谱可以看出，当硅烷浓度降至3.0％时，开始有微晶粒生成，此时材料的暗电导率迅速提高，光敏性下降。当用此方法制备掺杂的氢化纳米硅薄膜时，对于施主杂质和受主杂质具有不同的掺杂效果。当进行磷掺杂时，其电导率进一步升高，可达到1s/cm的数量级，硅晶粒尺寸变化不大；而进行硼掺杂时，薄膜中的小晶粒尺寸和硼原子的高掺杂效率之间存在矛盾，P型掺杂过程中应综合兼顾与纳米晶粒尺寸相关的量子尺寸效应引起的光学带隙宽化和硼原子的替位掺杂之间的统一，以制备宽带隙、高电导的的P型纳米硅薄膜材料。扫描电子显微镜图像显示，在制备的P型纳米硅薄膜中，硅晶粒的尺寸为30～80纳米，晶界边缘清晰，具有典型的纳米晶形态。 论文对layer-by-layer方法制备纳米硅薄膜进行了探讨，当氢处理功率为30W和40W时，硅薄膜的厚度与无氢处理过程的单层薄膜相近，从X射线衍射谱可以看到硅立方晶系的衍射峰，与材料的高电率共同表征其纳米硅特征；当氢处理功率上升到50W时，沉积的薄膜总厚度突然降为零。说明在制备过程中，合适的氢处理功率和其他沉积条件的配合可以将非晶硅薄膜予以晶化而不对其厚度产生刻蚀效果，氢处理功率和时间超过某阈值时才会引起非晶硅膜层厚度的损失；因此，单层薄膜厚度的控制对制备性能良好的氢化纳米硅薄膜很关键，尤其在衬底上沉积的第一层膜的状态对材料性能有重要影响。 通过实验，制备出光学带隙为2.21eV,电导率和激活能分别为5.04×10-2s/cm和88.1meV,晶化率为47.52％的不掺杂的纳米硅薄膜，以及光学带隙为2.33eV,电导率和激活能分别为0.364s/cm和26.7meV，晶化率为39.98％的P型纳米硅薄膜材料和电导率为9.19s/cm，激活能为3.35meV的N型纳米硅薄膜材料。

目录

文摘

英文文摘

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第一章序言

第二章纳米硅薄膜材料

第三章实验及讨论

第四章总结

致射

参考文献

个人简历