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不同退火温度下晶化硅薄膜的电学输运性质1 宋 超，陈谷然，徐 骏，王 涛，孙红程，刘 宇，李 伟，陈坤基 南京大学物理系, 固体微结构物理国家重点实验室，南京(210093) E-mail: songchao511@126.com 摘 要：采用等离子体化学气相沉积技术制备氢化非晶硅薄膜，经过不同温度下的热退火处 理，使薄膜由非晶结构向晶化结构转变，得到含有纳米晶粒的晶化硅薄膜。在晶化过程中， 采用Raman技术对样品的结构进行表征。通过变温电导率的测试，对薄膜的电学输运性质进 行了分析。研究结果表明：退火温度为700 ℃时,样品中开始有纳米晶形成，随着退火温度的 增加，样品的晶化比增大，在1000 ℃时，薄膜的晶化比达到90%以上。在700 ℃退火时，薄 膜中晶化成分较低，载流子的传输特性主要受到与硅悬挂键有关的缺陷态影响，表现为带尾 定域态的跳跃电导。随着晶化度的提高，在1000 ℃时薄膜的电输运过程主要为晶体硅的扩 展态电导，同时量子隧穿输运对薄膜的电输运过程也有一定的影响。 关键词：氢化非晶硅；退火；纳米硅；电输运 中图分类号：O484.4 1. 引言 氢化非晶硅薄膜是一类重要的功能半导体材料，已被广泛地应用于许多领域，特别是用 于制作薄膜晶体管以及薄膜太阳能电池。近年来，为了进一步提高硅基薄膜太阳能电池的转 换效率以及解决非晶硅薄膜太阳能电池的不稳定性问题，人们提出了利用纳米硅薄膜构建全 硅基叠层太阳能电池的构想，因而，需要对非晶硅和纳米硅薄膜的制备、结构以及光电性质 进行系统而深入地研究。 迄今为止，对硅基纳米结构的制备及其光电性质的研究已有许多报道[1-2] ，特别是对纳 米硅基材料的发光性质[3-5] [6, 7] 以及电荷存储特性 的研究尤为引人注目。在我们先前的工作 中，对非晶硅以及微晶硅材料的输运性质进行了研究[8, 9] 。研究结果表明，薄膜的结构以及 成分对载流子的输运有很大的影响。近期对非晶硅和纳米硅薄膜电子性质的研究表明在纳米 硅系统中，由于晶化成分的出现，传输机制会随之改变，并且在不同的温度段显示出不同的 热激活特性。在本文中，我们对常规等离子体化学气相沉积系统中制备的氢化非晶硅薄膜进 行了热退火处理，在不同的退火温度下获得了晶化比不同的纳米硅薄膜材料，并对相应薄膜 的电导输运特性进行了研究对比，讨论了可能的载流子输运机制。 2. 实验 实验中采用等离子体化学气相沉积(PECVD)系统制备氢化非晶硅薄膜。生长中，衬底温 度控制在250 ℃，射频功率为30 W，反应气体硅烷的流量控制在5 SCCM 。样品沉积在双抛 单晶硅与石英衬底上，通过控制生长时间，样品的沉积厚度控制在360 nm左右。样品生长完 成后，在氮气保护下，首先在450 ℃对样品进行1小时的脱氢处理，然后进行稳态常规炉温 热退火处理，退火温度分别为600 ℃、 700 ℃和 1000 ℃，退火时间均为1小时。 我们采用 Shimadzu UV-3600 分光光度计测试样品的吸收和透射光谱。根据吸收谱数据 利用Tauc 公式推出薄膜的光学带隙Eg [10] 1本课题受到国家重点基础研究发展规划(批准号: 2007CB613401)，国家自然科学基金(批准号:和 高等学校博士学科点专项基金(批准号: 20070284020)资助。 - 1 - (α hν )1/2 B(hν =− Eg ) (1) 其中hν是光子能量，B 为常数。采用Jobin Yvon Horiba HR800微区Raman散射光谱仪对退 + 火前后薄膜的结构及晶化情况进行了表征，激发光源为波长488 nm 的Ar 激光。在薄膜电导 率测试中，采用真空