氮掺入对N型纳米硅薄膜微观结构及光电特性影响

采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)通过改变NH₃流量制备出不同含氮量N型富硅氮化硅硅薄膜。利用Raman散射、红外吸收、紫外-可见光分光光度计及暗态I-V测量等技术分析了氮掺入对薄膜微观结构以及光电特性的影响。结果显示,随着NH₃的增加,薄膜由微晶硅向纳米硅结构转变,薄膜中晶粒尺寸减少,晶化度降低,微观结构有序性降低,所对应薄膜光学带隙增大,而带尾分布变窄。同时,红外吸收谱分析表明,Si—N键合密度增加,P掺杂受阻。暗态I-V测量显示,薄膜电导率随着NH₃掺入整体较微晶硅降低,但随NH₃增加,电导率受到迁移率和载流子浓度等特征共同作用先降低后变大,揭示了影响薄膜电导率的机制存在一定的竞争,然而过高的非晶网络结构将增大载流子的复合导致薄膜电导率显著降低。     

氧掺入对纳米硅薄膜微结构及能带特性的影响

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了富硅氧化硅薄膜,利用XRD衍射仪,傅里叶变换红外透射光谱仪以及紫外-可见光分光光度计分析了氧掺入对薄膜微观结构以及能带特性的影响。结果表明,随着氧掺入比(CO₂/SiH₄)的增加,薄膜晶粒尺寸减小,晶化度降低,纳米硅(nc-Si)表面的张应力先增加后减小。红外吸收谱分析表明,氧掺入比增加导致薄膜内氧含量增高,富氧Si—O键合密度增加,富硅Si—O键合密度降低。同时,薄膜结构因子减小,有序度增大,薄膜微观结构得到改善。当氧掺入比大于0.08时,薄膜结构因子增大,有序度降低。此外,氧掺入增加导致薄膜带隙不断增加,带尾宽度呈现先减小后增大的趋势。因此,通过氧掺入可以调节纳米硅薄膜微观结构及能带特性,氧掺入比为0.08时,薄膜具有高晶化度和较宽的带隙,微观结构得到有效改善,可用作薄膜太阳能电池的本征层。     

沉积压力对氢化非晶硅薄膜特性的影响

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)系统,以乙硅烷和氢气为气源,普通钠钙玻璃为衬底制备了氢化非晶硅(a-Si∶H)薄膜,研究了沉积压力对非晶硅薄膜的沉积速率、光学带隙以及结构因子的影响。采用台阶仪、紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜等手段分别表征了a-Si∶H薄膜的沉积速率,光学带隙、结构因子和表面形貌。结果表明： 随着沉积压力的增加,沉积速率呈现先上升后下降的趋势,光学带隙不断下降。当沉积压力小于210 Pa时,以SiH键存在的H原子较多,而以SiH₂或SiH₃等形式存在的H较少; 当沉积压力大于210 Pa时,以SiH₂,(SiH₂)_n或SiH₃等形式存在的H较多。通过结构因子的计算,发现沉积压力在110～210 Pa的范围内沉积的薄膜质量较好。     

富硅氮化硅薄膜的制备及其光学带隙研究

采用双极脉冲磁控反应溅射法在不同参数条件下制备了一系列氮化硅薄膜。利用数字式显微镜和紫外-可见光光谱仪研究了沉积薄膜的表面形貌及其光学带隙,利用共焦显微拉曼光谱仪比较了硅衬底、氮化硅薄膜退火前后的拉曼光谱。结果表明,氮气流量对薄膜的光学带隙影响较大,制备的薄膜主要为富硅氮化硅薄膜。原沉积薄膜的拉曼光谱存在明显的非晶硅和单晶硅峰,退火处理后非晶硅峰减弱或消失,表明薄膜出现明显的结晶化;单晶硅峰出现频移现象,表明薄膜中出现硅纳米颗粒,平均尺寸约为6.6 nm。     

退火及溅射气氛对氮化硅薄膜光致发光的影响

利用射频磁控反应溅射方法制备富硅的氮化硅薄膜。衬底材料为抛光的硅片,靶材为硅靶,在Ar-N₂气环境下,通过改变两种气体的组分比来改变样品成分,并在高纯N₂气氛下对其进行高温退火处理。用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对样品进行了表征,并测试了样品的光致发光谱 (PL)。实验结果表明：X射线光电子能谱中出现了Si—N键合结构,同时还有少量的Si—O键生成,通过计算得出Si/N比值约为1.51,制备出了富硅的氮化硅薄膜;薄膜未经退火前,在可见光区域没有观察到明显的光致发光峰,经过高温退火后,XRD中新出现的衍射峰证实了纳米硅团簇的生成,PL图谱中在可见光区域出现了光致发光峰的蓝移现象,结合XRD结果,用纳米晶的量子限域效应对上述现象进行了合理解释。     

氮掺入对N型纳米硅薄膜微观结构及光电特性影响（英文）

采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)通过改变NH_3流量制备出不同含氮量N型富硅氮化硅硅薄膜。利用Raman散射、红外吸收、紫外-可见光分光光度计及暗态I-V测量等技术分析了氮掺入对薄膜微观结构以及光电特性的影响。结果显示,随着NH_3的增加,薄膜由微晶硅向纳米硅结构转变,薄膜中晶粒尺寸减少,晶化度降低,微观结构有序性降低,所对应薄膜光学带隙增大,而带尾分布变窄。同时,红外吸收谱分析表明,Si—N键合密度增加,P掺杂受阻。暗态I-V测量显示,薄膜电导率随着NH_3掺入整体较微晶硅降低,但随NH_3增加,电导率受到迁移率和载流子浓度等特征共同作用先降低后变大,揭示了影响薄膜电导率的机制存在一定的竞争,然而过高的非晶网络结构将增大载流子的复合导致薄膜电导率显著降低。     

包含硅量子点的富硅SiNx 薄膜结构与发光特性

采用等离子体增强化学气相沉积法, 以NH₃与SiH₄为反应气体, n型单晶硅为衬底, 低温(220 ℃)沉积了富硅氮化硅(SiN_x)薄膜. 在N₂氛围中, 于500–1100 ℃ 范围内对样品进行了热退火处理. 采用Raman 光谱技术分析了薄膜内硅量子点的结晶情况, 结果表明, 当退火温度低于950 ℃时, 样品的晶化率低于18%, 而当退火温度升为1100 ℃, 晶化率增加至53%, 说明大部分硅量子点都由非晶态转变为晶态. 实验通过Fourier 变换红外吸收(FTIR)光谱检测了样品中各键的键合结构演变, 发现Si–N键和Si–H键随退火温度升高向高波数方向移动, 说明了薄膜内近化学计量比的氮化硅逐渐形成. 实验还通过光致发光(PL)光谱分析了各样品的发光特性, 发现各样品中均有5个发光峰, 讨论了它们的发光来源, 结合Raman光谱与FTIR光谱表明波长位于500–560 nm的绿光来源于硅量子点, 其他峰则来源于薄膜内的缺陷态. 研究了硅量子点的分布和尺寸对发光带移动的影响, 并根据PL峰位计算了硅量子点的尺寸, 其大小为1.6–3 nm, 具有良好的限域效应. 这些结果有助于制备尺寸不同的硅量子点和基于硅量子点光电器件的实现. 关键词： 硅量子点 氮化硅薄膜 光致发光 Fourier 变换红外吸收     

ECR-CVD制备的非晶SiOxNy薄膜的光致蓝光发射

使用90%N2稀释的SiH4与O2作为前驱气体，利用微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积（ECR CVD）方法制备了非晶氮氧化硅薄膜（a-SiOxNy）.红外吸收光谱的结果表明，a SiOxNy薄膜主要由Si O Si和Si N键的两相结构组成，在存在氧流量的情形下，薄膜主要成分是SiOx相，而在无氧流量的情形下，薄膜则主要是SiNx相.使用565eV的紫外光激发，发现SiOxNy薄膜出现了位于460nm的光致蓝光主峰，且其发光强度随着氧流量的降低而显著增强.根据缺陷态发光中心和SiNx蓝光发射能隙态模 关键词： ECR CVD 红外吸收光谱 非晶氮化硅薄膜 光致发光     

氮化硅薄膜中纳米非晶硅颗粒的键合结构及光致发光

采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术以N₂/SiH₄/H₂为反应气体制备了镶嵌有纳米非晶硅颗粒的氢化氮化硅薄膜,通过改变N₂流量实现了薄膜从红到蓝绿的可调谐光致发光.傅里叶红外透射和紫外-可见光吸收特性分析表明,所生长薄膜具有较高的氢含量,N₂流量增加使氢的键合结构发生变化,非晶硅颗粒尺寸减小,所对应的薄膜的光学带隙逐渐增加和微观结构有序度减小.可调光致发光(PL)主要来源于纳米硅颗粒的量子限制效应发光,随N₂流量增加,PL的谱线展宽并逐渐增强. 关键词： 傅里叶红外透射谱 光吸收谱 纳米硅粒子镶嵌薄膜 光致发光     

退火温度对富硅氮化硅薄膜发光特性和结构的影响

采用直流等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在(100)单晶硅片表面生长富硅氮化硅薄膜,研究了不同的退火温度对氮化硅薄膜发光性质和结构的影响。研究发现,随着退火温度的升高,氮化硅薄膜的发光强度逐渐减弱,发光是由缺陷能级引起的,在900 ℃时荧光基本消失。XPS测试表明,在N₂氛围900 ℃下退火,氮化硅薄膜中未有硅相析出,故未表现出硅量子点的发光。FTIR测试也为PL结论提供了一定的证据。     

射频等离子体增强化学气相沉积SiNx薄膜的研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,以N2和SiH4作为反应气体,在P型硅基片上进行SiNx薄膜的沉积.使用椭偏仪对薄膜厚度和光学常量进行了测量, 用傅里叶变换红外光谱仪对SiNx薄膜的化学键合结构进行了分析.研究了基片温度、射频功率以及N2和SiH4的气体流量比率等实验工艺参量对薄膜沉积速率和光学常量的影响.结果表明,射频等离子体增强化学气相沉积技术沉积的SiNx薄膜是低含氢量的SiNx薄膜,折射率在1.65~2.15之间,消光系数k在0.2~0.007之间,当SiNx薄膜为富氮时k≤0.01,最高沉积速率高达6.0 nm/min,N2和SiH4气体流量比率等于10是富硅和富氮SiNx薄膜的分界点.     

氢稀释对纳米晶硅薄膜晶化特性的影响及薄膜生长机理

以SiH4与H2作为前驱气体,采用射频等离子增强化学气相沉积技术制备了纳米晶硅薄膜.利用Raman散射和红外吸收光谱等技术,对不同氢稀释比条件下薄膜的微观结构和键合特性进行了研究.结果表明,随着氢稀释比增加,薄膜的晶化率明显提高,而氢稀释比过高时,薄膜晶化率呈现减少趋势.红外吸收光谱分析表明,纳米晶硅薄膜中氢的键合模式与薄膜的晶化特性密切相关.随着氢稀释比增加,薄膜中整体氢含量和SiH2键合密度明显减少,而在高氢稀释比条件下,氢稀释比增加导致薄膜中SiH2键合密度和整体氢含量增加.     

氢稀释对FTS沉积a-Si:H薄膜结构特性的影响

采用对靶磁控反应溅射技术,以氢气作为反应气体在不同的氢稀释比条件下制备了氢化非晶硅薄膜.利用台阶仪、傅里叶红外透射光谱、Raman谱和紫外-可见光透射谱测量研究了不同氢稀释比对氢化非晶硅薄膜生长速率和结构特性的影响.分析结果发现,利用对靶磁控溅射技术能够实现低温快速沉积高质量氢化非晶硅薄膜的制备.随着氢稀释比不断增加,薄膜沉积速率呈现先减小后增大的趋势.傅里叶红外透射光谱表明,氢化非晶硅薄膜中氢含量先增大后变小.而Raman谱和紫外-可见光透射谱分析发现,氢稀释比的增加使氢化非晶硅薄膜有序度和光学带隙均先增大后减小.可见,此技术通过改变氢稀释比R能够实现氢化非晶硅薄膜结构的有效控制.     

氢稀释对FTS沉积a-Si∶H薄膜结构特性的影响

采用对靶磁控反应溅射技术,以氢气作为反应气体在不同的氢稀释比条件下制备了氢化非晶硅薄膜.利用台阶仪、傅里叶红外透射光谱、Raman谱和紫外-可见光透射谱测量研究了不同氢稀释比对氢化非晶硅薄膜生长速率和结构特性的影响.分析结果发现,利用对靶磁控溅射技术能够实现低温快速沉积高质量氢化非晶硅薄膜的制备.随着氢稀释比不断增加,薄膜沉积速率呈现先减小后增大的趋势.傅里叶红外透射光谱表明,氢化非晶硅薄膜中氢含量先增大后变小.而Raman谱和紫外-可见光透射谱分析发现,氢稀释比的增加使氢化非晶硅薄膜有序度和光学带隙均先增大后减小.可见,此技术通过改变氢稀释比R能够实现氢化非晶硅薄膜结构的有效控制.     

Low-temperature synthesis of AlN films through electron cyclotron resonance plasma-aided reactive pulsed laser deposition

Combination of pulsed laser ablation with electron cyclotron resonance microwave discharge was demonstrated for a novel method for low-temperature thin film growth. Aluminum nitride thin films were synthesized on silicon substrates at temperatures below 80 °C by means of reactive pulsed laser deposition in nitrogen plasma generated from the electron cyclotron resonance discharge. The synthesized films show a very smooth surface and were found to have a stoichiometric AlN composition. X-ray photoelectron spectroscopy analysis evidenced the formation of aluminum nitride compound. Fourier transform infrared spectroscopy revealed the characteristic phonon modes of AlN. The AlN films were observed to be highly transparent in the visible and near-IR regions and have a sharp absorption edge near 190 nm. The band gap of the synthesized AlN films was determined to be 5.7 eV. The mechanisms responsible for the low-temperature film synthesis are also discussed in the paper. The nitrogen plasma facilitates the nitride formation and enhances the film growth. Received: 17 March 2000 / Accepted: 28 March 2000 / Published online: 23 May 2001     

镶嵌有纳米硅的氮化硅薄膜键合特性分析

采用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWPCVD)技术制备了非化学计量比的氢化氮化硅薄膜,对所沉积样品及氮气环境中920 ℃退火样品的微观结构及键合特性进行了分析。Raman散射结果表明,薄膜中过量硅以非晶纳米粒子形式存在,退火样品呈现纳米晶硅和氮化硅的镶嵌结构。红外吸收和可见光吸收特性比较结果显示,薄膜样品的微观结构依赖于化学计量比以及退火过程,硅含量较低样品因高的键合氢含量而表现出低的纳米硅表面缺陷态密度;退火过程将引起Si—H和N—H键合密度的减少,因晶态纳米颗粒的形成,退火样品表现出更高的结构无序度。     

镶嵌在氢化氮化硅中纳米非晶硅粒子光吸收的模拟

采用量子限制效应模型对镶嵌有纳米非晶硅粒子的氢化氮化硅薄膜的光吸收进行了理论模拟,探讨了由吸收谱分析给出该结构薄膜光学参数的方法,并通过对不同氮含量样品的讨论给出了量子限制效应和纳米硅粒子表面的结构无序对薄膜光吸收特性的影响规律。分析结果表明,随氮含量的增加,薄膜有效光学带隙增大,该结果与薄膜中纳米硅粒子平均尺寸的减小引起的量子限制效应的增强相关,而小粒度纳米硅粒子比例增加所引入的较高微观结构无序度和较多缺陷将会导致薄膜低能吸收区吸收系数增加。     

Formation mechanism of incubation layers in the initial stage of microcrystalline silicon growth by PECVD

The incubation layers in microcrystalline silicon films (\muc-Si:H) are studied in detail. The incubation layers in \muc-Si:H films are investigated by bifacial Raman spectra, and the results indicate that either decreasing silane concentration (SC) or increasing plasma power can reduce the thickness of incubation layer. The analysis of the in-situ diagnosis by plasma optical emission spectrum (OES) shows that the emission intensities of the SiH*(412\,nm) and H_\al (656nm) lines are time-dependent, thus SiH*/H_\al ratio is of temporal evolution. The variation of SiH*/H_\al ratio can indicate the variation in relative concentration of precursor and atomic hydrogen in the plasma. And the atomic hydrogen plays a crucial role in the formation of \muc-Si:H; thus, with the plasma excited, the temporal-evolution SiH*/H_\al ratio has a great influence on the formation of an incubation layer in the initial growth stage. The fact that decreasing the SC or increasing the plasma power can decrease the SiH*/H_\al ratio is used to explain why the thickness of incubation layer can reduce with decreasing the SC or increasing the plasma power.     

Effects of hydrogen on photoluminescence properties of a-SiNx:H films prepared by VHF-PECVD

Luminescent hydrogenated amorphous silicon nitride films were prepared with different hydrogen flow rate in very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition system. Very bright orange-red light emissions can be clearly observed with the naked eye in a bright room for the films grown at the hydrogen flow rate of 30 sccm. The photoluminescence intensity of the film grown at the hydrogen flow rate of 30 sccm is found to be four times higher than that of the film without hydrogen dilution. However, with further increasing the hydrogen flow rate from 30 to 90 sccm, the photoluminescence intensity of the film rapidly decreases. Fourier-transform infrared absorption spectra indicate that the introduction of hydrogen concentration bonded to silicon and nitrogen is of a key role to enhance the photoluminescence intensity of the films. Based on the measurements of structural and bonding configurations, the improved photoluminescence intensity is attributed to the well hydrogen passivation of nonradiative defect states related to N and Si at proper hydrogen flow rate.