等離子體輔助鋁誘導(dǎo)納米硅制備多晶硅的研究

　　以超白玻璃為襯底,利用熱絲化學(xué)氣相沉積和磁控濺射法制備了Glass/nc-Si/Al疊層結(jié)構(gòu),置入管式退火爐中進(jìn)行等離子體輔助退火。樣品在氫等離子體氛圍下進(jìn)行了400,425和450℃不同溫度,5 h的誘導(dǎo)退火,用光學(xué)顯微鏡和拉曼光譜對(duì)樣品進(jìn)行了性能表征。結(jié)果表明隨著誘導(dǎo)溫度升高,樣品的Si(111)擇優(yōu)取向越來越顯著;晶粒尺寸不斷增大,在450℃誘導(dǎo)溫度下獲得了最大晶粒尺寸約500μm的連續(xù)性多晶硅薄膜,且該溫度下薄膜晶化率達(dá)97%;薄膜的結(jié)晶質(zhì)量也隨著溫度的升高而不斷提高。樣品經(jīng)450℃誘導(dǎo)后的載流子濃度p為5.8×1017cm-3,薄膜霍爾遷移率μH為74 cm2/Vs。還從氫等離子體鈍化的角度分析了等離子體環(huán)境下鋁誘導(dǎo)納米硅的機(jī)理。

　　關(guān)鍵詞： 等離子體輔助退火;鋁誘導(dǎo);納米硅;多晶硅薄膜;氫鈍化

　　基金項(xiàng)目: 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2006AA03Z219);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61176062);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

　　多晶硅是由晶面取向各異、大小不同的晶粒聚合而成的晶體硅薄膜, 具有與單晶硅類似的優(yōu)異電學(xué)性能, 其高遷移率可應(yīng)用于傳感器等光電器件, 在液晶顯示、能源科學(xué)和微電子技術(shù)領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。當(dāng)多晶硅薄膜應(yīng)用于太陽(yáng)能電池時(shí), 其晶粒尺寸直接影響薄膜載流子遷移率和薄膜太陽(yáng)電池的效率[1] , 因此提高晶粒尺寸和結(jié)晶質(zhì)量將是目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

　　鋁誘導(dǎo)法制備多晶硅的優(yōu)點(diǎn)是襯底材料選擇性多、晶化溫度低、晶化時(shí)間短、生成的多晶硅晶粒尺寸較大, 由非晶硅誘導(dǎo)獲得的多晶硅晶粒尺寸最大已優(yōu)化至100 淜嬀 2- 4] 。由于多晶硅薄膜的載流子遷移率與晶粒尺寸大小有著直接關(guān)系, 晶粒尺寸越大, 載流子遷移率越高。在前期的研究工作中, 將傳統(tǒng)的誘導(dǎo)源非晶硅改變?yōu)榧{米硅, 制備出了襯底/ 納米硅/ 氧化硅/ 鋁結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)由納米硅誘導(dǎo)獲得的多晶硅最大晶粒尺寸可提高至400 淜嬀 5] 。

　　為了進(jìn)一步提高多晶硅的晶粒尺寸, 本文采用等離子體輔助退火的方法來優(yōu)化鋁誘導(dǎo)納米硅的制備工藝。該方法是利用氫等離子體氛圍促進(jìn)鋁誘導(dǎo)納米硅的晶化進(jìn)程, 獲得晶粒尺寸更大的多晶硅, 并結(jié)合氫等離子體對(duì)薄膜的同步鈍化作用, 消除薄膜內(nèi)部的缺陷態(tài),以提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量, 使得該方法制備的連續(xù)多晶硅薄膜更加適用于進(jìn)一步的外延和太陽(yáng)能電池制備。

　　本文利用等離子體輔助退火工藝對(duì)樣品進(jìn)行了熱處理, 當(dāng)誘導(dǎo)溫度為450度時(shí), 多晶硅薄膜最大晶粒尺寸達(dá)到500 um, 并且薄膜已完全連續(xù)化, 晶化率達(dá)到97%。隨著誘導(dǎo)溫度升高, 薄膜的結(jié)晶性能也越來越好, 溫度越高, 薄膜的質(zhì)量越接近單晶硅質(zhì)量。說明等離子體輔助條件下, 溫度因素決定了薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶性能。同時(shí), 氫等離子體對(duì)晶粒缺陷態(tài)和懸掛鍵的鈍化效果, 對(duì)提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。最后經(jīng)過電學(xué)性能測(cè)試表明, 該法獲得的多晶硅薄膜的霍爾遷移率和載流子濃度范圍均適合用于器件制備。因此, 將納米硅誘導(dǎo)源和等離子體輔助退火工藝相結(jié)合, 對(duì)于鋁誘導(dǎo)法獲得大晶粒、高質(zhì)量的多晶硅薄膜具有十分重要的意義。