氮化硅中纳米非晶硅薄膜的制备
氮化硅中纳米非晶硅薄膜的制备
何静1,王广川2
（1.重庆邮电大学移通学院，重庆401520；2.重庆邮电大学移通学院，重庆401520）
作者简介：何静（1988-），女，硕士，讲师，研究方向为太阳能电池薄膜的制备。
联系电话：13638339568，E-mail:1191801902qq.com,邮寄地址:重庆市合川区缤果城6栋
摘要：为了改善硅片衬底上制备的薄膜太阳能电池的转换效率，采用高纯氮气和氨气作为等离子体气源，以质量分数为5%的硅烷（Ar稀释）作为前驱气源，采用射频等离子体化学气相沉积技术（RF-PECVD）在单晶硅片衬底上制备了镶嵌有纳米非晶硅颗粒的氮化硅薄膜。利用X射线衍射分析了薄膜的成分。实验表明：制备的氮化硅薄膜中出现了氮化硅晶体颗粒和微晶硅颗粒，随着氮气流量变化，氮化硅晶体颗粒的尺寸和微晶硅颗粒尺寸都会发生变化,且微晶硅颗粒尺寸小于100nm ,可视为纳米晶硅颗粒。
关键词：氮化硅；RF-PECVD；纳米非晶硅薄膜；
Abstract: In order to improve the thin film solar cell's transfer efficiency which was prepared on the silicon wafers as the substrate ， we used the high pure nitrogen and the ammonia as the plasma personal character source while 5% silicon hydride (the Ar dilution) is the precursor source. The radio frequency plasma chemistry gas phase deposition technology (RF-PECVD) was employed to deposite the silicon nitride thin film embedded with the silicon nanoparticles on the single crystal siliconwafers . X-ray diffraction was employed to measure the microstructural， In this work，we found that the microcrystalline particles and the Siexisted in the film whose sizes were changed as the changing of the flow of the nitrogen.
Key words: silicon nitride; RF-PECVD; nano-amorphous silicon thin film;
引言
由于载流子的限制作用，纳米硅结构的带隙将显著增加，其辐射跃迁概率也将显著增加，所展示的室温可见发光使其在电子器件方面具有极大的应用价值，因此，纳米硅结构的制备和发光特性一直受到人们的关注。迄今为止，许多纳米硅结构的制备及发光特性研究大多局限于多孔硅和镶嵌氧化硅中纳米硅等少数纳米硅系统[1]，作为纳米硅的镶嵌介质,氮化硅(SiNx)具有和氧化硅接近的临界击穿电场(7×106—10×106V/cm),但其小的带隙宽度(5·3 eV)为纳米硅中电子和空穴的传输提供了较低的界面势垒,该特性对纳米硅电致发光器件中载流子的注入极为有利[2].因此以SiNx为镶嵌介质或中间介质层的纳米硅结构研究日益受到人们的关注[3-4]。
2.实验
2.1 制取设备
本实验采用射频等离子体气相沉积技术（RF-PECVD）[5-7]，以氮气和氨气为等离子体气源,质量分数为5%的SiH4(Ar稀释)为前驱气体低温沉积了氮化硅薄膜.用Ar气稀释SiH4,既有利于安全制备薄膜和控制流量,也有助于微波放电,能进一步提高SiH4的离解率,同时Ar气对薄膜的刻蚀较小,当气体流量达到一定值时,Ar气对衬底的刻蚀作用就会消失。
2.2 清洗衬底
衬底采用经过抛光处理的硅片，其中硅片衬底依次经过丙酮超声清洗20分钟，无水乙醇超声清洗10分钟，稀氢氟酸超声清洗20分钟，去离子水超声清洗10分钟以去除衬底表面的杂质并改善衬底表面活性。
2.3 镀膜
把清洗好的硅片放入沉积室中。本实验分为A、B两组，A组为5%的硅烷（Ar稀释）和氮气反应，通过固定硅烷流量不变,反应时间为10分钟，改变氮气流量制备出不同条件下的氮化硅纳米非晶硅薄膜，采用DX-2600X射线衍射仪对样品XRD实验，从而对样品进行结构分析，在常温下采用248nmKrF激光器（21.7KV, 7hz）等设备分析薄膜的结构。实验参数如下：
表1 A组实验参数
B组中通过5%的硅烷（Ar稀释）、氨气、氮气反应，通过固定硅烷、氨气流量不变，反应时间为10分钟，改变氮气流量制备出不同条件下的氮化硅纳米非晶硅薄膜，在常温下采用248nmKrF激光器（21.7KV, 7hz）等设备分析薄膜的结构。实验参数如下：
表2 B组实验参数
3氮化硅中纳米非晶硅薄膜的结构分析
分别对上面两组样品进行X射线衍射，发现两组样品中均出现了衍射峰，并与标准谱对比，实验结果显示，两组样品在不同流N2量下分别出现了Si3N4的衍射峰和Si的衍射峰。图1和图2是样品对应不同氮气流量下的XRD图谱，图1为A组样品的XRD图谱，图2为B组样品的XRD图谱。
并且依据公式 算出各个样品中晶体尺寸大小如表3和表4，其中=0.9. =0.154nm, 为衍射峰的半高宽，即为衍射峰所对应的角度。
图1 A组样品的XRD图谱
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图2 B组样品的XRD图谱
表3 A组样品
表4 B组样品
从图表中可以看出，在（N2/SiH4、N2/SiH4/NH3）作为反应气体的两组样品中，均出现了氮化硅和单晶硅晶体颗粒的自发形成。薄膜中硅的衍射峰表面都是Si取向，与衬底相同，表面硅晶体择优取向生长薄膜中硅颗粒的尺寸大小小于100nm,表明非晶薄膜中有纳米硅颗粒形成。改变N2流量，可以出现不同的衍射峰和不同的尺寸大小，说明控制流量N2是实现氮化硅薄膜中纳米晶硅颗粒可控生长的一种途径。
4.结论
本实验发展了在低温下利用RF-PECVD沉积氮化硅中纳米非晶硅薄膜的制备技术。通过实验中对薄膜的结构分析可知，样品中出现了衍射峰，且薄膜中硅颗粒的尺寸大小小于100nm,表明非晶薄膜中有纳米硅颗粒形成。改变N2流量，可以出现不同的衍射峰和不同的尺寸大小，说明控制N2流量是实现氮化硅薄膜中纳米晶硅颗粒可控生长的一种途径。
参考文献：
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