微晶硅薄膜材料的沉积以及微结构与光电特性的研究
采用射频等离子增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术，在较高的射频功率和沉积气压条件下，通过改变硅烷浓度和衬底温度等参数，以Corning7059玻璃为衬底制备微晶硅薄膜材料。通过拉曼光谱和光暗电导的测试等方法对薄膜特性进行了表征，研究了沉积参数对微晶硅薄膜材料的微结构以及光电特性的影响，并讨论了它们的相关性。解释了结构与光电特性的变化规律，以表面扩散的机理讨论了结晶过程。实验表明，硅烷浓度和衬底温度这两个参数对于微晶硅薄膜材料的微结构及其光电特性具有重要影响，而且参数之间存在匹配关系。
氢化微晶硅由于其良好的光电特性，被广泛地应用于太阳能电池，薄膜晶体管，以及光电传感器等光电子领域。目前制备微晶硅薄膜材料主要通过射频等离子体化学气相沉积(RF-PECVD)，甚高频化学气相沉积(VHF-PECVD)以及热丝气相沉积(HWCVD)等技术在氢稀释条件下分解硅烷的方法得到，它们各自拥有自身的优势。不过相对于在工业上，RF-PECVD技术更为成熟。微晶硅属于间接带隙材料，因而在太阳光谱的可见光部分的吸收系数相对较低，这就需要一定厚度的微晶硅层来获得充足的光吸收。但是用传统RF-PECVD方法制备微晶硅的沉积速率较小、重复性差。人们在改变制备方法的同时，也在不断追求在其工艺上的改良，比方说在PECVD工艺中高压耗尽方法的提出较好地解决了微晶硅薄膜材料的沉积速率小的问题。但是微晶硅材料作为一种硅的微晶粒镶嵌于非晶硅基质中的两相结构材料，其光电性质依赖于其微结构，而微结构又依赖于其沉积参数及其相互匹配。在制备器件质量级的微晶硅材料时，人们更多的采取正交试验的方法，择优参数，依次的优化，往往有些参数直接被否决。
因此，本文采用RF-PECVD技术，在较高的射频功率和沉积气压条件下，通过改变硅烷浓度和衬底温度等参数，制备微晶硅薄膜材料。研究了沉积参数对微晶硅薄膜材料的微结构以及光电特性的影响，并研究了它们光电特性及其相关性。
1、实验
实验所使用的是射频(13156Hz)PECVD技术制备微晶硅薄膜材料。射频的功率为130W，电极间距为2.5cm，沉积气压为3.99×102Pa，衬底为corning7059玻璃，气体总流量为100ml/min(标准状态)。在衬底温度为200℃的条件下，硅烷浓度为0.6%~2.5%的范围内制备了一系列的样品，了解硅烷浓度对微晶硅薄膜材料微结构及其光电特性的影响。在选定硅烷浓度为1.2%的条件下，改变衬底温度(100~350℃)制备了另外一组样品，了解双参数的改变对微晶硅薄膜材料微结构及其生长的调配作用。
通过拉曼光谱仪(JOBINYVONU1000)来表征材料晶相的改变。使用分光光度计(日本岛津UV-2550)测量微晶硅薄膜的厚度，并且通过TAUC公式外推法估算出薄膜材料的光学带隙宽度。使用Keithley617测量薄膜材料的光电导和暗电导。使用扫描电镜(SEM，日立SU8010)测量薄膜材料的表面形貌和微结构。
2、结果与讨论
利用RF-PECVD制备微晶硅薄膜材料，硅烷浓度(或氢稀释度)是一个十分重要的参数。图1所示为不同硅烷浓度下，一系列微晶硅薄膜样品的拉曼光谱。从图1中可以看到，在130W的较高功率和3.99×102Pa的沉积气压的条件下，硅烷浓度对微晶硅薄膜材料的微结构从微晶相向非晶相转变的用十分敏感。随着浓度的提高，样品在520cm-1处的晶体硅的特征峰在消失，且整体的峰位在向左移，最后在480cm-1出现了硅非晶相的典型峰。这说明随着硅烷浓度的增加，样品的晶化率逐渐降低，平均的晶粒尺寸减小。
图1 硅烷浓度变化的拉曼光谱
在上述系列样品中，固定硅烷浓度为1.2%，在其它沉积参数不变的条件下，通过改变衬底温度这一参数，制备了以温度为变量的系列硅薄膜材料。图2所示为不同衬底温度下制备的硅薄膜材料样品的拉曼散射谱。从中可以看到，提高衬底温度，微晶硅薄膜的晶化率也相应地提高，结晶度变好。
图2 衬底温度变化的拉曼光谱
3、结论
实验利用RF-PECVD技术制备了微晶硅薄膜材料。在高射频功率、高沉积气压、小气体流量的条件下，通过调配硅烷浓度与衬底温度，发现硅烷浓度对微晶硅薄膜材料制备的影响十分敏感，衬底温度间接影响表面的化学反应，它们之间存在着一定的匹配条件，这样通过RF-PECVD制备的微晶硅薄膜材料就容易晶化。提高硅烷浓度能够明显提高薄膜的沉积速率，而硅烷浓度间接影响着生长表面的扩散系数，需要改变衬底温度使反应表面的活性和成膜基团的扩散系数达到平衡。同时能够看到微晶硅薄膜材料的光学带隙与晶化率有着相反的对应关系，而材料的电导率与晶化的变化情况相似。
