等离子体辅助铝诱导纳米硅制备多晶硅的研究

　　以超白玻璃为衬底,利用热丝化学气相沉积和磁控溅射法制备了Glass/nc-Si/Al叠层结构,置入管式退火炉中进行等离子体辅助退火。样品在氢等离子体氛围下进行了400,425和450℃不同温度,5 h的诱导退火,用光学显微镜和拉曼光谱对样品进行了性能表征。结果表明随着诱导温度升高,样品的Si(111)择优取向越来越显著;晶粒尺寸不断增大,在450℃诱导温度下获得了最大晶粒尺寸约500μm的连续性多晶硅薄膜,且该温度下薄膜晶化率达97%;薄膜的结晶质量也随着温度的升高而不断提高。样品经450℃诱导后的载流子浓度p为5.8×1017cm-3,薄膜霍尔迁移率μH为74 cm2/Vs。还从氢等离子体钝化的角度分析了等离子体环境下铝诱导纳米硅的机理。

　　关键词： 等离子体辅助退火;铝诱导;纳米硅;多晶硅薄膜;氢钝化

　　基金项目: 国家高技术研究发计划(863计划)项目(2006AA03Z219);国家自然科学基金项目(61176062);江苏高校优势学科建设工程资助项目

　　多晶硅是由晶面取向各异、大小不同的晶粒聚合而成的晶体硅薄膜, 具有与单晶硅类似的优异电学性能, 其高迁移率可应用于传感器等光电器件, 在液晶显示、能源科学和微电子技术领域均具有广泛应用。当多晶硅薄膜应用于太阳能电池时, 其晶粒尺寸直接影响薄膜载流子迁移率和薄膜太阳电池的效率[1] , 因此提高晶粒尺寸和结晶质量将是目前研究的重点内容。

　　铝诱导法制备多晶硅的优点是衬底材料选择性多、晶化温度低、晶化时间短、生成的多晶硅晶粒尺寸较大, 由非晶硅诱导获得的多晶硅晶粒尺寸最大已优化至100 淜嬀 2- 4] 。由于多晶硅薄膜的载流子迁移率与晶粒尺寸大小有着直接关系, 晶粒尺寸越大, 载流子迁移率越高。在前期的研究工作中, 将传统的诱导源非晶硅改变为纳米硅, 制备出了衬底/ 纳米硅/ 氧化硅/ 铝结构, 发现由纳米硅诱导获得的多晶硅最大晶粒尺寸可提高至400 淜嬀 5] 。

　　为了进一步提高多晶硅的晶粒尺寸, 本文采用等离子体辅助退火的方法来优化铝诱导纳米硅的制备工艺。该方法是利用氢等离子体氛围促进铝诱导纳米硅的晶化进程, 获得晶粒尺寸更大的多晶硅, 并结合氢等离子体对薄膜的同步钝化作用, 消除薄膜内部的缺陷态,以提高薄膜的结晶质量, 使得该方法制备的连续多晶硅薄膜更加适用于进一步的外延和太阳能电池制备。

　　本文利用等离子体辅助退火工艺对样品进行了热处理, 当诱导温度为450度时, 多晶硅薄膜最大晶粒尺寸达到500 um, 并且薄膜已完全连续化, 晶化率达到97%。随着诱导温度升高, 薄膜的结晶性能也越来越好, 温度越高, 薄膜的质量越接近单晶硅质量。说明等离子体辅助条件下, 温度因素决定了薄膜的晶粒尺寸和结晶性能。同时, 氢等离子体对晶粒缺陷态和悬挂键的钝化效果, 对提高薄膜的结晶质量起到了至关重要的作用。最后经过电学性能测试表明, 该法获得的多晶硅薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度范围均适合用于器件制备。因此, 将纳米硅诱导源和等离子体辅助退火工艺相结合, 对于铝诱导法获得大晶粒、高质量的多晶硅薄膜具有十分重要的意义。