硅薄膜的制备及光学性能研究.docx

硅薄膜的制备及光学性能研究摘要：本文采用磁控溅射技术，通过改变溅射功率制备了系列非晶硅薄膜，并研究了薄膜的光学性能。结果发现，随着溅射功率的提高，硅薄膜生长速率线性增加。红外光谱测试表明，硅薄膜中含有少量H，并以SiH2的形式存在，随着溅射功率的提高，薄膜中的H含量逐渐增加，而其光学能隙逐渐从1.58eV增加到1.74eV。光致发光实验显示，硅薄膜在380nm和730nm处出现了两处发光峰，其峰位几乎没有变化，而其发光强度和硅薄膜中氧化硅的含量有关。关键词：磁控溅射；硅薄膜；光学能隙；光致发光0引言作为太阳能电池材料，硅薄膜具有用料少、成本低、可在玻璃，塑料等廉价衬底上大面积生产等优点，正逐渐受到科研工作者的重视。按照结构的不同，硅薄膜通常被分为多晶硅、非晶硅、微晶硅以及纳米晶硅薄膜。目前，制备硅薄膜最普遍的方法是等离子增强化学气相沉积（PECVD）法，而磁控溅射技术也逐渐受到重视，已有研究者利用脉冲磁控溅射的方法在较高温度条件下制得了光电性能优异的晶态硅薄膜[1]。利用磁控溅射技术制备硅薄膜，主要通过改变负偏压、沉积温度、反应气压、通入氢气流量比、溅射功率等工艺参数来达到对薄膜微结构和光电性能的调控。日本的J.Kondo[2]等人研究了沉积温度对硅薄膜微观结构的影响；K.Fukaya[3]等人研究了腔体气压与硅薄膜生长速度之间的关系；H.Makihara[4]等人研究了氢气流量比对硅薄膜结晶程度的影响；ATabata[5]等人则研究了负偏压对硅薄膜性能的影响。进一步探索制备工艺与硅薄膜微观结构以及光电性能之间的关系可为提高太阳能电池的光电转化效率提供重要依据，具有重要的现实意义。本文通过磁控溅射的方法制备了系列硅薄膜。研究溅射功率与薄膜生长速率之间的关系；探讨制备工艺对薄膜微观结构的影响，分析薄膜光学能隙、光致发光同薄膜结构之间的关系。1实验方法硅薄膜采用北京实力源公司生产的SP-0811A型磁控溅射镀膜机制备，设备配有30kW的单极脉冲偏压电源；2副Φ80硅靶；反应室尺寸为Φ600mm×300mm，极限真空可达1×10-4Pa。由于传统非晶硅中含有较多悬挂键，薄膜光电性能差，不能满足实际应用和工业生产的需要，所以本文在硅薄膜的制备过程中向炉体通入了H2，以便中和薄膜中的悬挂键，降低缺陷态密度，其中H2/(H2+Ar)保持在40%。硅薄膜制备的其他条件为沉积温度50℃、反应气压0.3Pa、负偏压100V、沉积时间60min；溅射功率按2kW、3kW、4kW、5kW、6kW变化。本文所采用的衬底为单晶硅片（100）和普通载玻片。硅薄膜表面形貌和厚度由日本JEOLJSM-7000F型场发射扫描电子显微镜进行测试；薄膜微观结构通过荷兰PANalytical公司生产的X'pertPRO型X射线衍射仪和JEM-2100F型场发射高分辨透射电镜进行分析；薄膜红外透射光谱通过德国BRUKERTENSON37型傅里叶红外光谱仪进行测试，光谱测试的波段范围为400~4000cm-1，测试精度为2cm-1；薄膜透过率通过日本岛津uv2501型紫外可见光谱仪进行分析，测试范围为200~1000nm；薄膜光致发光现象通过美国pti公司qm4型时间分辨荧光光谱仪进行观察，其中光谱分辨率<0.2nm，激发波长为280nm。2结果与讨论为沉积在普通载玻片上的硅薄膜表面形貌图，从图中可以看出薄膜致密性较好，硅原子均匀分布在衬底表面，并在衬底上形成了一系列大小不等的团簇颗粒，这些颗粒主要由磁控溅射设备反应室中的高能粒子对薄膜表面的轰击效应造成，但是这些颗粒并不代表晶体。图2为沉积在单晶硅衬底上的硅薄膜截面扫描图，从图中可以看出，薄膜与基体结合良好且厚度较为均匀。利用磁控溅射技术制备得到的硅薄膜均匀的分布在基体表面，并形成了致密的颗粒结构。通过测试得到溅射功率在2kW时单晶硅基薄膜的沉积速率为0.115nm/s；3kW时为0.195nm/s；4kW时为0.252nm/s；5kW时为0.301nm/s；6kW时为0.357nm/s。给出了硅薄膜沉积速率同溅射功率之间的关系，显示溅射功率的提高对薄膜的生长有促进作用，二者几乎呈正线性关系。在本实验中，硅薄膜的生长速度规律可以由公式（1）近似,在磁控溅射制备硅薄膜的过程中，溅射功率会对反应室中等离子体的密度和能量产生影响，而薄膜的生长速率也可以从这两个方面进行分析。一方面，溅射功率提高将增加反应室中等离子体的密度，使Ar+离子的数量增加，进而更多的靶材原子被溅射出来沉积在衬底表面形成薄膜，薄膜的生长速率得以提高。另一方面，溅射功率的提高可以使反应室中Ar+离子的活性增强，动能增大，这同样能够增加被溅射出的靶材原子数量，而薄膜的生长速率自然也就提高了。利用磁控溅射制备硅薄膜