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1、金属诱导多晶硅薄膜制备与研究 】分类号 密级注论 文学 位金属诱导多晶硅薄膜制备与研究题名和副题名张良艳作者姓名指导教师姓名 林祖伦 教 授成都电子科技大学职务、职称、学位、单位名称及地址工申请专业学位级别硕士专业名称 光 学 程.论文提交日期 .论文答辩日期学位授予单位和日期 电子科技大学答辩委员会主席评阅人年岁月艿日注:注明国际十进分类法的类号。:,:,二了,?,独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而
2、使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。,签名:筮色整 日期:知肜年月河日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或“扫描等复制手段保存、汇编学位论文。土保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名:丛嫠垫导师签名:二壁竺日期:。如年月灯日。、;,.呷冀摘要摘要多晶硅薄膜因其较高的载流子迁移率、较低的制备成本以及良好的光电稳定性而被广泛应用于太阳能
3、电池、薄膜晶体管等领域。金属诱导法具有晶化温度低、晶化时间短、制备成本低的优点,对多晶硅薄膜的制备以及多晶硅薄膜太阳能电池的研究具有重要的意义。本文采用金属诱导的方法成功制备了多晶硅薄膜,主要工作有:用等离子增强化学气相沉积法在玻璃衬底上沉积非晶硅薄膜;用真空热蒸镀法在非晶硅薄膜上制备金属膜:在气氛中对样品进行退火处理;采用、测试了样品薄膜的晶化特性,研究了不同的工艺参数对非晶硅薄膜晶化效果的影响;用紫外.可见分光光度计测试了样品薄膜的光学特性。经过课题研究得出如下结论:非晶硅薄膜诱导晶化的起始温度在附近,若退火温度为或更低,无论退火多长时间都不会有晶化现象发生。晶化过程中晶粒倾向于在方向生长
4、,具有明显的择优取向;退火后的多晶硅薄膜中含有残留的元素及元素,可能影响薄膜性能。退火时间主要影响晶粒尺寸。随着退火时间延长,晶粒平均尺寸增大,退火 后几乎饱和, 后有所下降;薄膜结晶度随退火时间的延长一直小幅增加;。选择优化的退火时间为退火温度主要影响薄膜结晶度。随着退火温度升高,晶粒平均尺寸在缓慢增加后保持下降,下退火时有所增加;薄膜结晶度随退火温度的升高一直迅速升高;选择优化的退火温度为。诱导前后薄膜透过率的差异以及诱导后薄膜较低的可见光吸收系数是由又金属诱导固有的薄膜不均匀和重掺杂缺陷造成的。玻璃作为衬底时,样品薄膜在晶化过程中会脱落,而采用沉积有:薄膜的玻璃作为衬底,则可以成功解决薄
5、膜的脱落问题。关键词:多晶硅薄膜诱导晶化晶粒尺寸结晶度,一心一.? , 曲 ? . , .? . ,.?., :. . ., .扬.、:.、, ; . , 塑?一一 ;. . . ? .,., , ,:心目录目 录一第一章引言?。.课题研究背景?.课题研究意义及目的?.多晶硅薄膜的研究现状.直接制备法.间接制备法.本论文的主要工作内容及其意义?.第二章多晶硅薄膜及其主要应用?.多晶硅薄膜的结构特性.多晶硅薄膜的电学性质.多晶硅薄膜的光学性质.多晶硅薄膜的折射率和吸收系数?.多晶硅薄膜的光电导?.多晶硅薄膜的主要应用第三章多晶硅薄膜的诱导制备.金属诱导晶化制备多晶硅薄膜机理?.金属诱导机制?.铝
6、诱导和镍诱导的不同.制备过程设计?.衬底准备.非晶硅薄膜制备.等离子增强化学气相沉积原理?. 系统?. 沉膜过程.非晶硅薄膜沉积参数.膜厚测试.膜制备?。目录.真空热蒸发镀膜的原理.真空热蒸发镀膜设备?.膜蒸镀.膜厚度测试?.退火处理.样品测试第四章诱导晶化法制备多晶硅薄膜影响因素的分析.晶化起始温度的确定?.制备参数.样品测试与分析?.退火时间对薄膜晶化的影响?.制备参数.样品测试与分析?.样品测试与分析?.退火时间对晶粒尺寸的影响?.退火时间对结晶度的影响?.退火温度对薄膜晶化的影响?.制备参数.样品测试与分析?.样品测试与分析?.样品测试与分析?.退火温度对晶粒尺寸的影响?.退火温度对薄
7、膜结晶度的影响.退火后薄膜的光学特性.测试设备.薄膜透过率.薄膜吸收系数?.不同衬底材料对薄膜制备的影响.制备参数?.结果讨论.第五章结论妻谢.?.?。.?.目录参考文献在学期间的研究成果一一第一章引言第一章引言.课题研究背景能源危机和环境污染两大问题严重制约着人类经济和社会的长远发展。随着工业化时代的到来,人类社会对常规化石燃料的需求开始剧烈增长;尤其近年以来,随着工业的迅速发展、人口的急剧增长、以及人类对生活舒适性的高度要求,煤、石油、天然气等常规能源的消耗量变得越来越大。大量的需求和无节制的使用使地球的常规能源渐趋枯竭,严重的环境污染导致气候恶化、自然灾害横行、生态平衡破坏,种种问题逐步
8、威胁着人类的生存和长远发展。在世纪初对世界能源储量进行的调查中,全世界煤炭的可丌采量约为年,石油可开采量约.年,天然气可开采量仅约年【】。如果仅仅依赖这些传统的化石能源,人类社会的工业文明将无以延续。中国面临着更加严峻的能源危机。根据年底的统计,我国的经济可开发能源总储量仅占世界总量的约.%左右,各种一次能源的剩余储量均低于国际平均水平。中国剩余可开采能源中,.%为原煤,.%为水资源,.%为原油,.%为天然气,可开发能源的剩余可采储量仅可保证.年【。气候恶化作为最严重的全球环境问题,已经引起当今社会的普遍关注。年月日至日在月.麦首都哥本哈根举行的世界气候大会也反映了世界各国对气候变化问题的关注
9、。倡导低碳生活,减少碳排放,减轻环境污染是全人类的共同目标。图.所示为对目前世界上各种发电方式碳排放率碳/.的统计酬,由图可见,煤炭、石油和天然气三大常规能源发电的碳排放率最高,而以太阳能为代表的新能源发电方式碳排放率远低于三大常规能源。新能源发电方式中太阳能发电的碳排放率最高,为 碳/?,但也仅为三大常规能源发电方式中碳排放率最低的天然气 碳/.的一半左右。由此可见,太阳能和风能等新能源和可再生能源的广泛应用是人类解决能源危机、气候变化和环境污染的必需手段,是人类社会可持续发展的必经之路。而太阳能在全球的能源分布广泛,能源清洁可再生,是全世界公认的常规能源的理想替代能源。电子科技人学硕十学位
10、论文一一潮汐 内力地热核能风力煤炭石油天然气太阳能光伏波浪耋芝图.各种发电方式的碳排放率比较我国在太阳能利用方面有很好的地理优势,全国个省市自治区中,除四省和贵州省年平均接收的阳光辐射较弱之外,其他所有地区都有强烈的阳光照射,尤其新疆、西藏、甘肃西部、青海等省自治区在太阳能利用方面更是得天独厚。因此,利用太阳能替代常规化石能源来发展经济,对我国具有相当重要的意义。.课题研究意义及目的太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两种。晶体硅太阳能电池分为单晶硅电池、多晶硅电池、带状硅电池等;薄膜太阳能电池主要有硅基薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、化合物太阳能电池等,其
11、中硅薄膜太阳能电池又包括非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池和纳米晶硅薄膜太阳能电池等。将晶体硅太阳能电池和硅薄膜太阳能电池合称为硅基太阳能电池。由于硅基太阳能电池的源材料丰富无毒,制备工艺技术成熟,并且电池光电转换效率高,性能相对稳定,又兼寿命较长,使得目前太阳能电池总产量的%以上都为硅基太阳能电池。、晶体硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的原料是纯度达到.%的高纯单晶硅棒。单晶硅棒的生产一般使用直拉法,对初始材料的纯度要求比较高。单晶硅太阳能电池的转换效第一章引言率比较高,通过提高晶体质量可以使其得到不断提高。规模生产的单晶硅电池组件效率目前已经可以达到%,实验室最高
12、效率已经达到.%,接近理论最高效率%。然而,由于单晶硅太阳能电池的制备工艺较为复杂,对初始材料的纯度要求比较高,制备过程中需要消耗大量的硅材料,同时切片等工艺对材料的浪费较大,因此其成本一直居高不下。多晶硅是晶体硅的另外一种形态。如果熔融的晶体硅材料在过冷条件下凝固,硅原子就会以金刚石晶格的方式排列形成许多晶核。当硅材料以这些晶核为核心生长成不同晶向的晶粒,就会形成多晶硅。多晶硅的生产对初始材料的纯度要求不如单晶硅高,并具有直接拉制出方形硅锭的工艺技术,容易制出大型硅锭,形成工业化的生产规模。同时,生产多晶硅的设备相对比较简单,对材料和能量的消耗较少,使得多晶硅太阳能电池的成本远远低于单晶硅太
13、阳能电池。直到年,单晶硅电池的产量还远大于多晶硅电池,约为:。但是经过十多年的发展,目前二者产量已经基本相当,多晶硅电池甚至超越单晶硅电池,成为光伏电池市场的主要产品之一。相对于单晶硅电池,多晶硅电池的生产成本低,占有较大的价格优势,但是由于多晶硅材料晶粒之间存在晶粒问界,晶体中的缺陷、势垒等远远多于单晶硅材料,因此,部分载流子会因晶粒间界的存在而损失,不能全部被.结收集,使多晶硅电池的转换效率低于单晶硅电池。目前规模生产的商品多晶硅电池组件转换效率约为%,工业大学光伏中心使用厚度为的多晶硅片,采用磷吸杂和双层减反射膜技术,使的多晶硅电池光电转换效率达到.%】;光伏中心采用类似电池技的多晶硅电
14、池效率为术,前表面织构采用光刻和腐蚀工艺形成蜂窝结构,.%】:德国太阳能研究所研制的深结局部背场电池,的电池效率达到.%;在我国,北京市太阳能研究所开展的关于多晶硅电池的的多研究中, 电池效率达到.%,北京有色金属研究总院研制的晶硅电池效率达到.%;我国中试生产的 多晶硅电池效率为%,最高效率达到%。要使太阳能电池走向大规模应用,就必须解决两个问题:降低生产成本和提高光电转换效率。在工业生产中,电池的光电转换效率固然重要,但是成本却是首先要考虑的因素。晶体硅太阳能电池虽然光电转换效率较高,也具备大规模生产的成熟的工艺技术,但是成本却过于昂贵,并且难以实现大面积制备。晶体硅光伏组件成本的%来自硅
15、锭生长、制锭和切片,同时晶体硅光伏电池必须有很厚的硅衬底来保持其强度,导致整个组件制备过程中对硅材料的需求很大,电子科技人学硕十学位论文而硅材料的价格却在不断上涨;再加上制备晶体硅太阳能电池会消耗大量的能源,因而其成本的降低空间很小。一要降低太阳能电池的成本,就必须最大限度地降低材料的成本。同时我们意识到对太阳能电池来说,转换效率高意味着我们将本来被浪费了的太阳能稍多地一利用了一些,效率低则利用的较少一些,并没有损失现有的资源。所以,人们开始以牺牲电池的转换效率为代价来开发材料消耗较少的薄膜光伏电池。、硅薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池的衬底采用非硅材料,电池的主体部分很薄厚度仅在微米量级,所用材
16、料相对于晶体硅电池显著减少;同时由于各项低温制备技术制备温度不超过的迅速发展,使薄膜电池的制备能耗远低于晶体硅电池;同时低温技术使玻璃、塑料等廉价衬底得到大量应用,大大降低了薄膜太阳能电池的成本,使薄膜电池近年来有了迅速的发展】。在薄膜太阳能电池中,对硅基薄膜电池的研究最为热门。非晶硅.薄膜电池和多晶硅.薄膜电池是两种最主要的硅基薄膜电池。不同于单晶硅,非晶硅的内部原子排列短程有序而长程无序,材料内部有许多未和周围的硅原子成键的电子构成“悬键”,在电场作用下,这些未成键电子可以自由运动而产生电流,因此非晶硅太阳能电池可以做得很薄而极大地节约成本;非晶硅电池的抗辐射性能远高于晶体硅电池,并且对可
17、见光的吸收系数大于单晶硅,大约是单晶硅的倍,厚度为岬的非晶硅薄膜就可以吸收大约%的可见光能量。非晶硅薄膜太阳能电池一度成为最有希望解决现有太阳能电池各种问题的产品。但是随着对其研究的深入,发现非晶硅薄膜太阳能电池不但转换效率低%,而且稳定性较差,寿命比较短。非晶硅材料存在.效应,也称光致衰退效应,在强光下照射一段时间后,非晶硅材料的光电导会显著减小,光照后的暗电导可下降几个数量级并保持相对稳定。?效应会使非晶硅薄膜电池本来就低的转换效率一般%四衰退%以上,只有将其在下进行退火处理,其效率才会恢复到原来水平的%。.效应导致非晶硅薄膜电池性能严重下降,是阻碍非晶硅薄膜电池发展和应用的最主要的因素。
18、由此,兼具晶体硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池优点的多晶硅薄膜太阳能电池应时而生。与晶体硅太阳能电池相比,多晶硅薄膜电池制备成本低、工艺简单,并且易于大面积生产。多晶硅薄膜电池的厚度随着结构的不同而在几微米到几十微米之间变化,仅仅是晶体硅太阳能电池厚度的/到/,从而大大节省了原料;多晶硅材料生产技术成熟、简单、多样化,可以大面积、全自动化第一章引言连续生产,便于实现工业规模化生产;低温生产技术的发展使多晶硅薄膜太阳能电池可以制备在廉价的玻璃衬底上,成本大大降低。与非晶硅薄膜太阳能电池相一比,多晶硅薄膜太阳能电池稳定性高、寿命长,不存在.效应,光电转换效率高。在各项新技术的推动下,多晶硅薄膜电
19、池的实验室效率己达%,各制备厂一商生产的多晶硅薄膜电池效率也在不断增长,多晶硅薄膜太阳能电池已成为下一代薄膜太阳能电池的主要发展方向【川。受益于晶体硅高效太阳能电池各项新技术的应用,多晶硅薄膜太阳能电池在发展过程中也引入了几乎所有新技术,甚至利用了各种集成电路的方法和工艺,使得电池效率不断得到提高。国外多晶硅太阳能电池的发展见表?】。表.国外多品硅薄膜太阳能电池的发展历程为了使多晶硅薄膜太阳能电池商业化,制造出 的电池年转换效率达%。年 锄电池,效率提高至.%。年 薄膜太阳能电池系统投入市场。美国加利福尼亚成功建立. 多晶硅薄膜太阳能电池方年阵系统,其中电池单元采用高温热分解喷涂法制备,电池上
20、覆有抗反射膜;多晶硅薄膜晶粒尺寸达到毫米量级。多晶硅薄膜太阳能电池转换效率为.%、年 本电池转换效率为.%、 /薄膜电池转换效率为.%。日本三菱公司使用衬底,电池效率达到.%。德国研 使用石墨衬底,电池效率达%;究所 使用衬底,电池效率达.%。日本公司 采用多孔硅分离技术,电池效率最高达.%。结构电池效率.%,开路电压. ,短路电流密度. 。日本公司结构电池,效率达.%,面积 ,填充因子.。我国多晶硅薄膜太阳能电池的研究与国际水平有较大差距,仍处于实验室阶段。年北京市太阳能研究所报道了以和为气源,采用法在石英反应器中沉积多晶硅薄膜的技术,并研制了金属栅线/多晶硅薄膜/多晶硅薄膜/.硅/金属结构
21、的多晶硅薄膜电池,无减反射涂层, 的电池效率达屯子科技人学硕十学位论文到.%【。北京市太阳能研究所与北京师范大学联合研制的多晶硅薄膜太阳能电池实验室效率达到.%,是目前我国多晶硅薄膜太阳能电池的最高实验室效率,而多晶硅薄膜太阳能电池的生产在我国还处于空白状态。.多晶硅薄膜的研究现状目前制备多晶硅薄膜的方法有很多,大致可以分为直接制备法和间接制备法两种。直接制备法是指通过改变反应条件来控制薄膜生长过程,使初始晶粒直接形成并长大在基片上,得到多晶硅薄膜;间接制备法是指以非晶硅薄膜为前驱物,通过一系列的后续处理工艺得到多晶硅薄膜。.直接制备法研究较多的直接制备法有化学气相沉积法和液相外延法等。化学气
22、相沉积法又包括常压化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法以及热丝化学气相沉积法。是在接近常压下进行气相反应的一种沉积方式,它具有较高的沉积速率,并且连续生产的产出数非常高,比较适合于集成电路制程;但是需要的加热温度很高,约为一;另外,由于设备的限制,薄膜在基片上的沉积率不均匀,并且淀积在管壁上的硅颗粒可能掉在基片上,使薄膜具有缺陷。在法中,硅烷在恒温低压条件下分解沉积形成多晶硅薄膜,沉积压强,加热温度略低于,约为。使用一般在.法可以制备出高质量、低成本的多晶硅薄膜,薄膜的均匀性要远好于法。法一般是以卤化硅、或者的混合气体为气源,在射频的作用下发生辉光放电,产生非平衡等离子
23、体。在这种等离子体中,气体分子、原子以及正离子的温度与环境温度相同,但是电子的有效温度却远远大于环境温度。反应气体与高速电子发生碰撞时被激活,使本来需要在高温下才能发生的反应得以在较低温度下进行。法的反应温度一般为,薄膜均匀性与射频能量密度和分布密切相关。采用钨丝使混合气在以上的高温下分解扩散,在衬底表面发生反应,形成多晶硅或者微晶硅薄膜。反应室压强和形状、催化金属的第一章引言选择、反应室气体流向、金属丝与衬底之间的距离以及衬底温度等因素都会影响薄膜质量【粕】。法的优点是反应压强较小小于 ,反应温度较低低于;但是热丝的几何结构对薄膜均匀性影响较大,薄膜生长速度较慢,并且引入杂质的几率较大。液相
24、外延法是将硅熔融在母液中,通过降低温度使其析出成膜。一般来说,随着温度降低,溶质在液态溶剂中的溶解度减小。因此,与衬底接触的饱和溶液被冷却时,如果条件适宜,溶质就会析出并外延生长在衬底上。液相外延法要求衬底材料与生长层之间的晶格常数和晶体结构有足够的相似度。如果衬底与溶质是同种材料,称为同质外延,如果是不同材料则称为异质外延。液相外延技术推。动了化合物半导体材料和器件的发展,被广泛应用于多晶硅光伏电池的制备【.间接制备法较常用的间接制备法主要有固相晶化法、区熔再结晶法金属诱导晶化法。固相晶化法包括高温炉退火法、快速热退火法和微波退火法。高温炉退火法的退火温度通常在以上。掺杂浓度减少和薄膜厚度增
25、大都会使晶粒尺寸增大,而退火温度降低则会使晶粒尺寸减小;快速热退火使用卤钨丝灯作为热源,退火所需时间短,消耗的热量少,产量大,并且退火过程容易控制,是一种相对较新的晶化技术;在微波退火法中,微波场使非晶硅的扩散动力增强,结晶活化能降低,即使在低温条件下仍能形成晶核并快速生长,使非晶硅薄膜晶化得到多晶硅。区熔再结晶法用一束很窄的源能量给非晶硅薄膜表面的不同区域加热,使其依次熔化再结晶形成多晶硅薄膜。区熔再结晶法可以根据源能量的不同分为激光加热晶化法、电子束加热晶化法和射频加热晶化法等不同形式,其中激光加热晶化法即激光晶化法【弓】最为成熟。利用激光晶化技术可以使非晶硅材料在非常短的时间内获得很高的
26、温度并熔化然后结晶。由于加热时间很短,因此可以使用廉价的玻璃作为衬底,从而降低晶化成本。在激光晶化过程中,激光的频率和能量密度、薄膜受光次数,甚至激光束的形状和扫描方向都会对薄膜的结晶状况造成影响。利用激光晶化法可以制备晶粒尺寸大、均匀性好的高性能多晶硅薄膜,但是这种技术的工艺重复性差,设备昂贵,并且难以大面积制备,应用并不广泛。金属诱导晶化法是指用,及其他金属【铘与非晶硅薄膜电子科技人学硕十学位论文表面接触并在较低的温度下加热退火,利用非晶硅与金属元素的相互扩散以及相互作用而使其晶化。金属诱导法需要的晶化温度低、时问短,可以使用玻璃等廉价的衬底,从而能有效降低制备成本;缺点是退火之后,金属元
27、素有可能残留在薄膜中,对多晶硅薄膜造成一定程度的污染,导致薄膜性能下降,需要用吸杂技术进行杂质去除。.本论文的主要工作内容及其意义多晶硅薄膜是多晶硅薄膜太阳能电池的关键部分,薄膜的质量直接影响电池的性能,薄膜的制备成本也决定着电池的成本。因此,对多晶硅薄膜制备工艺的选择和工艺参数的控制就显得非常重要。在多晶硅薄膜的主要制备工艺中,、以及固相晶化法和微波退火法等对制备温度的要求较高,因此衬底材料就必须有良好的耐热性,这就使低温廉价衬底的使用受到限制,导致薄膜的制备成本过高;区熔再结晶法制各的薄膜晶化程度不均匀,性能不一致;法则由于沉积速率太慢而制约了其广泛应用。金属诱导晶化法是一种低温、快速制备
28、多晶硅薄膜的方法。在金属的诱导作用下,非晶硅薄膜的晶化温度可以降至左右,同时热处理的时间大大减少。金属诱导法可以制备较大尺寸晶粒的多晶硅薄膜,并且容易实现大面积制备。由于退火温度的降低,廉价的玻璃衬底得到大幅应用,大大降低了多晶硅薄膜的制备成本。因其显著的优点,金属诱导晶化法已经吸引了越来越多的关注。在查阅了大量国内外文献后,结合实验室现有条件,本文在研究诱导晶化法制备多晶硅薄膜方面开展了系列工作,在玻璃衬底上用诱导法成功制备了多晶硅薄膜,并研究了各种因素对晶化效果的影响,为诱导法制备多晶硅薄膜太阳能电池奠定了基础。本文共有五章,第一章对课题背景和研究意义、多晶硅薄膜研究现状以及本课题的主要工
29、作进行概述;第二章介绍多晶硅薄膜的结构特点、光学和电学性质以及多晶硅薄膜的主要应用;第三章介绍了多晶硅薄膜制备过程设计、薄膜制备以及薄膜的测试手段;第四章分析了晶化的起始温度,讨论了退火时间和退火温度对薄膜晶化效果的影响,以及不同衬底材料对薄膜制备的影响,并研究了诱导所得多晶硅薄膜的光学特性;第五章对全文工作进行了总结。第二章多品硅薄膜及其主要应用第二章多晶硅薄膜及其主要应用.多晶硅薄膜的结构特性多晶硅材料由许多晶格取向不同的小晶粒组成,原子在每个小晶粒内部呈周期性排列,因此每个晶粒相当于一块小的单晶体。晶粒间界连接着各个不同晶向的晶粒,是各个相邻晶粒之间的过渡区,厚度一般为几个原子层,内部原
30、子呈无序排列,如图.所示。晶粒间界晶粒图.多品硅薄膜结构示意图.多晶硅薄膜的电学性质多晶硅薄膜的电学性质远远复杂于单晶硅。未掺杂的多晶硅薄膜电阻率一般在 ?左右,如果将多晶硅薄膜经过特殊处理如掺氧,其电阻率甚至可以达到 ?;掺杂的多晶硅薄膜其电阻率通常与杂质种类以及掺杂工艺有关,最低可以达到.。 ?左右。在低掺杂如 。时,多晶硅薄膜的电阻率比单晶硅高个数量级,但是载流子浓度却比掺杂浓度低个数量级,而且掺杂浓度改变时电阻率的变化并不明显;在重掺杂如 。时,多晶硅薄膜的电阻率逐渐接近于单晶硅,比同掺杂水平的单晶硅略高,同时载流子浓度约等于掺杂浓度;而当掺杂浓度处于中间水平”时,电阻率对掺杂浓度的变
31、化十分敏感,掺杂浓度的轻微增加都会使电阻率急剧下降,电子科技人学硕十学位论文并使载流子浓度迅速增加【。不同于单晶硅,多晶硅薄膜中的多子迁移率与掺杂浓度的关系较为复杂。在高掺杂浓度范围内多子迁移率有一个极大值,在中等掺杂范围内有一个极小值。具体的迁移率极值及其对应的掺杂浓度则与多晶硅薄膜的生长条件和形貌有关。造成多晶硅薄膜与单晶硅电学性质差异的原因便是多晶硅薄膜晶粒间界的存】影响掺杂多晶硅薄膜在。晶粒间界主要在载流子陷阱效应和杂质分凝两个方面【的电学性能。、载流子陷阱。晶粒间界处的原子呈无序排列状态,可以近似认为是非晶态,其中存在很多缺陷和悬键,形成大量陷阱。多晶硅内部杂质电离产生的载流子在迁移
32、过程中被陷阱捕获,导致自由载流子数目减少。陷阱在捕获载流子之前不带电,呈电中性,而一旦捕获载流子之后就会带电,其周围会出现一个多子势垒区,称为晶粒间界势垒。晶粒问界势垒会阻挡载流子在晶粒之间的运动,使载流子迁移率降低。因此,多晶硅薄膜的载流子浓度和迁移率均小于同等掺杂水平的单晶硅薄膜。、杂质分凝。由于多晶硅薄膜内的晶粒和晶粒间界结构不同,因此晶粒内和晶粒间界处原子的化学势也存在差异。在掺杂时,部分杂质将沉积在晶粒间界处,使晶粒内的杂质浓度低于均匀掺杂水平,直到晶粒间界处杂质浓度达到饱和。这种情况称为杂质分凝。由于分凝的杂质原子在电学上是不活动的,所以掺杂多晶硅薄膜的载流子浓度低于均匀掺杂水平。
33、图.晶粒间界作用的定性表示晶粒间界对多晶硅薄膜电学性能的影响可以表示为图.。总掺杂浓度分为和两部分 表示在晶粒间界分凝的一部分浓度;表示在晶粒内掺杂的一部分浓度。室温下非重掺杂时,浓度为的杂质全部电离提供载流子,其第一二章多品硅薄膜及其主要应用中浓度为的一部分载流子被晶粒间界陷阱所捕获,而真正参与导电的自由载流子只是其中的一部分,浓度为。.多晶硅薄膜的光学性质.多晶硅薄膜的折射率和吸收系数、折射率。多晶硅薄膜折射率与波长的关系可以由薄膜透射率极小值以及薄膜厚度计算得出。假设衬底厚度为一定时,光线从空气垂直入射到空气/多晶硅薄膜界面的反射率为,透射率为;从衬底一侧入射到多晶硅薄膜表面的反射率为,
34、透射率为。不考虑光吸收时,可以表示为:纠斧研者%面其中,万酉?吃生吨一地 ?矗一 %一州 .。一?、。焘磊一.。式中,分别表示空气和衬底的折射率,表示光在多晶硅薄膜/衬底界面上的入射角,.,.,.分别为入射介质、多晶硅薄膜以及衬底的复折射率,为多晶硅薄膜厚度。入射介质为空气,所以:衬底的厚度电子科技人学硕十学位论文远远大于多晶硅薄膜厚度,认为衬底是半无穷厚的,并且认为衬底的折射率为实数,即;不考虑吸收时,多晶硅薄膜的消光系数,即。由于不考虑多晶硅薄膜的吸收,所以,。由于,所以。对有一定厚度衬底的多晶硅薄膜,有:石正一石五表示光由衬底一边入射到衬底/空气界面时的透射率。将式代入式.,并利用式.,
35、?,.,可以得到舰式中,/,/,/,?成立时,透射率有极小值“:叫面丽雨丽 碡石丽丽已知空气的折射率为,衬底的折射率已知时,由多晶硅薄膜透射谱的极小值可以确定该波长下多晶硅薄膜的折射率引。在可见光范围内,掺杂多晶硅薄膜的折射率近似等于非掺杂多晶硅薄膜折射率,并且和低掺杂单晶硅的折射率相差较小;在红外波段,由于自由载流子的吸收效应,导致掺杂浓度越大,折射率越小。图.所示为可见光范围内非掺杂和重磷掺杂下. 多晶硅薄膜的折射率曲线【柏。.豁.图.可见光范围内非掺杂和重掺杂状态下多晶硅薄膜的折射率第二章多品硅薄膜及其主要应用、吸收系数。多晶硅薄膜的吸收系数大于单晶硅。在较短波长范围内,掺杂浓度越大,吸
36、收系数越小,但是即使是重掺杂. 。的多晶硅薄膜,其吸收系数也比轻掺杂的单晶硅大两倍;然而在较长波段,由于自由载流子的吸收效应,导致多晶硅薄膜的掺杂浓度越大,其吸收系数越大。图?所示为可见光范围内非掺杂和重磷掺杂下. 的多晶硅薄膜的吸收系数曲线】。寸巅谣罄督波长图可见光范围内非掺杂和重掺杂状态下多晶硅薄膜的吸收系数.多晶硅薄膜的光电导不同于单晶硅情况,多晶硅薄膜的光电导是一种“多子”现象。在多晶硅薄膜中,晶粒间界势垒控制着多晶硅薄膜的电导。光照条件下,晶粒内产生的光生载流子在运动过程中通过晶粒问界,经过陷阱复合过程,对晶粒间界处的电荷造成影响,使晶粒间界势垒降低,致使由其控制的多子电流增强,形成
37、光电导。多晶硅薄膜的光电导与光照强度、薄膜的吸收系数以及晶粒尺寸成正比,与薄膜厚度成反比。光照强度的增加或薄膜吸收系数的增大都会使晶粒内产生的光生载流子数目增多,从而使晶粒间界势垒降低较大,光电导增强;晶粒尺寸越大,载流子在运动过程中遇到的晶粒间界越少,被捕获的几率相应较少,因此光电导较大;如果薄膜较厚,穿透到薄膜深处的光强会减弱,致使光生载流子减少,光电导降低。电子科技人学硕十学位论文.多晶硅薄膜的主要应用在集成电路中的应用自从世纪年代和集成电路初步走向大规模生产以来,人们便开始研究如何来提高它的工作速度和集成度,并希望能降低电源电压和功耗。寻找新的材料成了解决这些问题的方法之一。人们发现,
38、采用多晶硅薄膜作为场效应晶体管的栅极材料,并采用自对准工艺,可以减少晶体管的寄生电容,提高晶体管性能。另外,采用高掺杂多晶硅薄膜作为集成电路的内部引线,能够大大提高集成电路设计的灵活性,减少工艺层次。这些都使多晶硅薄膜在集成电路特别是集成电路工艺中得到极为广泛的应用。除了用于栅极材料和互连引线之外,多晶硅薄膜还可以用来做电荷存储元件和单层、多层互连导线;由于多晶硅薄膜的电阻率受掺杂浓度的影响较大,可以用轻掺杂多晶硅作静态存储器的负载电阻来缩小电路单元面积。另外,多晶硅薄膜还可以用于器件隔离、掺杂扩散源、浅结欧姆接触层、双极晶体管发射极、器件钝化等方面。多晶硅薄膜的这些应用只是人们根据它的各种性
39、能而开发的,相信随着集成电路的发展和我们对多晶硅薄膜更进一步的认识,多晶硅薄膜在集成电路方面还会有更多的应用。在显示器件方面的应用随着显示技术的发展,液晶显示器取代了成为当今显示器件的主流。为了防止交叉串扰,液晶显示器使用有源矩阵显示技术,即在每一个像素上都接上一个薄膜晶体管来控制像素的开关与电压,这就是技术。用于的有非晶硅薄膜晶体管. 和多晶硅薄膜晶体管. 。由于.薄膜可以在较低温度下制备,衬底材料可以选择廉价的玻璃基板,所以其制备成本较低;加之薄膜适用于大面积制备,使其成为当今技术的主流材料,已经大量应用于大屏幕电视、投影技术、笔记本电脑等显示领域。但是由于非晶硅材料本身的缺陷, 存在载流
40、子迁移率低的问题;另外的开关比降随着光照时间增加,非晶硅材料的光电导会显著下降,导致低。多晶硅薄膜晶体管可以提供比非晶硅薄膜晶体管高的载流子迁移率和更高的问便成了解决电流驱动能力,并且不存在光致衰减问题,因此.题的优选产品。如今,有机电致发光显示技术迅速发展,有望成为取代的下一代第二章多品硅薄膜及其土要应用平板显示器件。?借鉴已经成熟并工业化的? 技术,将使非晶硅薄膜晶体管和多晶硅薄膜晶体管步入?产业技术,把多晶硅薄膜带入未来显示行业的应用之中。在太阳能电池中的应用薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的发展方向。硅基薄膜太阳能电池是目前研究最热门的薄膜太阳能电池。硅基薄膜太阳能电池有非晶硅和多晶硅两
41、种最主要的类型,非晶硅薄膜太阳能电池虽然在制备成本上具有一定的优势,但是非晶硅材料的光致衰减效应严重制约了其在光伏领域的进一步发展。多晶硅薄膜太阳能电池则可以很好地解决晶体硅电池与非晶硅薄膜电池遇到的一系列问题。与晶体硅太阳能电池相比,多晶硅薄膜太阳能电池制备工艺简单,不需要经过铸锭、切片等工艺路线,而是可以直接由气源转换而来,其厚度远小于晶体硅薄膜电池,大大节省了材料,并且成熟的低温制备工艺使多晶硅薄膜太阳能电池可以大面积地制备在玻璃等廉价衬底上,极大地降低了电池成本;与非晶硅薄膜太阳能电池相比,多晶硅薄膜太阳能电池转换效率高、载流子迁移率高,并且不存在光致衰减效应,性能稳定,是非晶硅薄膜电
42、池很好的替代品,已成为薄膜太阳能电池的主要发展方向。电子科技人学硕十学位论文第三章多晶硅薄膜的 诱导制备.金属诱导晶化制备多晶硅薄膜机理.金属诱导机制金属诱导始于金属原子与原子之间的接触。金属原子向非晶硅薄膜中扩散,使得一个原子周围不再只有个相邻原子,而是多了金属间隙原子。由于会属和硅的电负性不同,金属一键上的电荷开始重新分配,电荷趋向于向金属原子移动,导致邻近的.键周围的电子位置发生改变。因此,原本被两个相邻原子共用的电子变成了被相邻的多个原子共用,也就是况,非晶硅中的电子不再被束缚于一处,而是具有了挣脱束缚的轨道。于是,.键被削弱,原子间的距离被改变,非晶相变成了亚稳态甚至不稳定的结构。由
43、于非晶硅中存在各种缺陷,如空位、断层和悬键等,所以在金属和硅的界面处二者之间就会发生相互作用,使非晶硅得以晶化。金属诱导晶化过程需要经过热处理,在这个过程中,硅薄膜溶解于金属膜中,并在其中扩散、渗透,使整个非晶硅薄膜得到晶化【。.铝诱导和镍诱导的不同和是金属诱导晶化中使用最多的金属,其诱导晶化的不同之处为:是共溶金属,而为硅化物金属。诱导过程中,当退火一开始, /.界面处的.开始向中溶解,同时伴随有溶解了的向中的扩散作用。当膜中的达到饱和后,继续溶解的开始变得过饱和,于是晶粒开始析出并生长,以缓解这种过饱和状态。整个诱导晶化过程涉及了原子和原子的混合,以及非晶/晶体膜层之间高金属含量的合金的形
44、成。金属膜中的晶粒诱导了硅的多晶相的形成。原子沿着硅晶粒边界扩散,分隔了已生成的多晶硅层与新生成的硅晶粒层。当所有的被“排挤出.帅.界面时,整个晶化过程就算终止。这就是/结构在触诱导过程中的层交换现象【。第三章多品硅薄膜的诱导制备在诱导过程中,原子与断裂的.键相互作用,形成的硅化物在退火温度高于时形成【删【。在热处理过程中,.键不断发生断裂释放出原子。由于的结晶态自由能比较低,释放出的原子倾向于和相邻的原子成键,形成结晶态硅晶粒。同时,元素不断进行扩散,在其扩散途中,伴随有.键的不断生成和断裂以及多晶硅晶粒的不断形成。这种以硅化物作为晶化中介的诱导过程将会产生针状硅晶粒。当在诱导过程中使用./结构时,如果原子的浓度太低,将不会有产生,因而也就没有晶化现象发生。对这种结构的晶化来说,原子浓度和衬底温度都是非常重要的参数,较大的浓度和较高的衬底温度能够刺激晶化现象的发生。和诱导机制的不同还表现在得到的多晶硅薄膜的张应力不同。在诱导过程中,由于原子在中的固溶度较低,很大一部分的原子将被束缚于多晶硅的晶粒问界处,引起张应力,并导致型掺杂;而在诱导过程中,和形成。由于和晶体硅有相似的晶格常数,其晶格失配仅为.%,因此便充当了晶粒生长的模板。得到的多晶硅区域没有探测到大量的存在,因此,诱导引入的张应力便会大大减少。.】等人的实验
