通过金属铝诱导非晶硅晶化技术,在玻璃衬底上获得了[111]取向生长的多晶硅薄膜。研究了Al诱导Si取向结晶生长所需的退火温度和时间。通过对Al/Si界面层SiO2层厚度的改变,研究了界面SiO2层对取向结晶生长的影响。通过在Al层表面反应沉积Al2O3,研究了表面氧化对薄膜微结构的影响,获得了低表面空洞密度致密Si[111]取向生长薄膜。采用PECVD在铝诱导晶化硅薄膜表面沉积非晶硅层,经快速退火后获得外延[111]取向多晶硅薄膜,可用于多晶硅薄膜电池。 In the present work, [111] oriented polycrystalline Si thin films on SiO2 glass substrates have been obtained by the aluminum induced crystallization (AIC) method. The annealing temperatures and time for the Si induced crystallization were optimized experimentally. The effects of the SiO2 layer at the Al/Si interface on the oriented crystallization of the Si layer were investigated, with the re-sults being compared for the different SiO2 thicknesses. By reactive oxidation of the aluminum surface depositing alumina Al2O3, the effect of the surface oxidation on the microstructure of the Si films were further studied. It was found that the resultant dense Si film has a lower void density on the surface. With an amorphous Si layer being deposited on the Al induced crystallized Si film, a polycrystalline Si film with [111] oriented growth was obtained by a rapid thermal annealing, which is applicable for the polycrystalline Si solar cells.
胡承威,夏晓红,鲍玉文,高云*
湖北大学材料科学与工程学院,湖北 武汉
Email: *gaoyun@hubu.edu.cn
收稿日期:2015年3月6日;录用日期:2015年3月20日;发布日期:2015年3月27日
通过金属铝诱导非晶硅晶化技术,在玻璃衬底上获得了[
关键词 :铝诱导晶化,非晶硅,界面
非晶硅和多晶硅薄膜在低成本大面积电子器件,如太阳能电池和平板显示中的薄膜传感器(TFT)中有重要的应用。高质量的多晶硅薄膜生长在玻璃衬底上可应用于高效薄膜电池。非晶硅的取向结晶生长可以有效降低薄膜中的缺陷(晶界、位错等),提高薄膜的电输运性能。因此,生长大晶粒,[
Al诱导多晶硅生长通常采用玻璃衬底/Al/非晶硅的沉积薄膜顺序[
本实验采用沈阳真空公司制造的高真空射频磁控溅射仪以13.56 MHz射频频率进行薄膜沉积。以石英玻璃为衬底,沉积过程中采用水冷。非晶硅薄膜和Al膜的沉积分别以纯度为99.999%的多晶硅和金属铝为靶材,射频功率为120 W。沉积过程中气压为1 Pa,Ar气流量为20 sccm。薄膜的厚度均用原子力显微镜进行测量。非晶硅的淀积时间为14 min,薄膜厚度为200 nm。Al膜的沉积时间为6 min,厚度为80 nm。非晶硅和Al界面氧化层采用反应磁控溅射方法来实现。分别以硅和Al为靶材,保持射频功率120 W不变,在腔内通入流量为13.3 sccm的O2,沉积气压降低为0.5 Pa,获得相应的SiO2层和Al2O3层。采用天津中环公司生产的气氛退火炉对沉积得到的薄膜进行N2气氛保护退火。
采用高倍率显微镜和日本电子的场发射扫描电镜(JSM-7100F))研究样品的表面形貌和微结构。采用德国布鲁克公司的D-8-Advance X射线衍射仪研究薄膜的晶体取向生长,其中辐射源采用Cu-Ka,波长λ = 0.15418 nm。采用英国雷尼绍公司的Renishaw invia型共聚焦显微拉曼光谱仪研究薄膜晶化率,其中激发光源为空气制冷氩离子激光器(Spectra-Physics Model 163-C4260),激发波长532 nm,扫描范围100~800 cm−1。
在倒置的Al诱导非晶硅取向生长的结构中,[
在前期的研究工作中发现,如果在a-Si/Al的界面不加二氧化硅层,就不能实现非晶硅的诱导取向生长。二氧化硅层的生长有多种方式,包括化学法、热氧化法、反应磁控溅射等。为了在同一真空室内完成多层膜的生长,避免开腔引起的界面污染,这里采用反应磁控溅射方法,在硅溅射过程中通入氧气,待溅射等离子体颜色由紫红色变成灰白色时,对应二氧化硅的生成[
图1. 结构为Si (200 nm)/SiO2 (8 nmn)/Al (80 nm)的薄膜在不同退火条件下的XRD图谱。(a) 450℃,3 h;(b) 450℃,8 h;(c) 500℃,8 h
图2. 不同界面SiO2层厚度样品退火后XRD图谱
图3. 不同厚度SiO2层样品退火后拉曼光谱图
由于Al位于Si上方,人们的研究热点主要集中在Al和Si的界面氧化层问题。极少有人研究Al表面氧化对Al诱导Si取向晶化生长的影响。这里从Al表面自然氧化和反应磁控溅射生长Al2O3两个方面来研究表面层Al氧化对非晶硅诱导晶化生长的影响。薄膜基本结构制备采用Si、SiO2、Al的溅射时间分别为14 min、1 min、6 min,相应的厚度为200 nm、2 nm、和80 nm。样品A为沉积制备的薄膜在空气中存放9天使表面自然氧化后再退火。样品B为薄膜制备后直接放进退火炉中退火。退火条件依然是氮气气氛保护下500℃ 8小时退火。
图4为样品A和B的光学显微镜的比较图。可以看到立即退火的样品B表面出现了高密度均匀分布的空洞,密度为90/cm2。而表面氧化的样品经热退火后表面置换的Si层更加致密,空洞密度仅为15/cm2。纯净铝暴露在空气中,其表面容易很快形成一层氧化物,即六角结构的α-Al2O3。其晶格常数为0.4758 nm,与Si[
为了验证氧化铝层对薄膜生长致密度的影响,我们采用反应磁控溅射方法,在Al表面溅射一层Al2O3层。图6(a)~(c)依次为氧化铝层溅射时间分别为0、0.5、1分钟的样品经过氮气保护下500℃8小时退火的样品。可以看到,随溅射氧化铝层厚度的增加,薄膜表面的空洞密度减小,相应薄膜致密度增大。三个样品对应的空洞密度依次为72、30、16/cm2。其中反应溅射1分钟Al2O3薄膜可以得到与表面自然氧化9天相一致的效果。XRD结果显示样品均为Si[
Al诱导非晶硅晶化获得的取向生长的[
图7(a)~(c)分别为AIC生长的籽晶层、籽晶层上PECVD沉积非晶硅、快速退火后的样品的XRD图谱。可以看出样品均保持了[
图4. 样品不同表面氧化后高倍光学显微镜照片。(a) Al表面自然氧化9天后退火;(b) 立即退火
图5. 样品不同表面氧化后XRD图谱。(a) Al表面自然氧化9天后退火;(b) 立即退火
图7. (a)AIC生长的籽晶层,(b)籽晶层上采用PECVD沉积硅薄膜,(c)硅薄膜快速退火后样品XRD图谱
图8. (a)AIC生长的籽晶层,(b)籽晶层上采用PECVD沉积硅薄膜,(c)硅薄膜快速退火后样品的拉曼光谱
退火之前的12%达到退火后的95%。以上结果说明,快速退火不仅能实现表面沉积非晶硅层有效晶化,还能保持其[
胡承威,夏晓红,鲍玉文,高 云, (2015) 界面对金属诱导硅[