鋁誘導晶化法制備高質量多晶Si、SiGe材料的研究.pdf

1、多晶硅薄膜不僅具有單晶材料的光照穩(wěn)定性，而且具有非晶薄膜低制造成本的優(yōu)點，被認為是一種高性價比的光伏材料，在太陽能電池領域有著廣泛的應用前景。多晶材料的制備方法很多，其中金屬誘導晶化法制備過程溫度低，可用玻璃、有機材料等做襯底，能很大程度的降低成本，因而受到很多的關注。金屬誘導晶化時，金屬會無可避免的摻入形成的多晶薄膜中成為雜質，目前所用的誘導金屬中鋁在硅的能帶中引入的能級最淺，最接近價帶，可做P型摻雜雜質，因此當鋁作為誘導晶化的金屬時

2、，更有利于制備出電學性能較好的多晶材料。本文用鋁誘導晶化(Aluminum induced crystallization: AIC)法制備多晶硅和多晶硅鍺材料，研究誘導晶化過程，并通過共焦顯微鏡、Raman、XRD、XPS等測試手段表征AIC形成的多晶材料結構及其結晶質量，主要工作和成果如下:
　　(1)用磁控濺射和自然氧化法在石英襯底上生長了Al/Al2O3/非晶Si(amorphous silicon: a-Si)結構，討論

3、AIC制備多晶硅材料的過程。設計了三組不同鋁層厚度的樣品來研究鋁層厚度對晶化結果的影響，三組樣品鋁層厚度分別為100 nm、300 nm和440 nm，樣品硅層厚度與鋁層厚度相當，以使硅鋁厚度比一致，三組樣品均在氮氣氛中500℃退火4h。結果發(fā)現(xiàn)，樣品鋁層厚度越大，誘導的多晶硅晶粒越大，結晶質量越高:鋁層較薄時形成枝晶狀多晶硅形貌，實際是由許多硅小晶粒構成的;鋁層較厚時形成顆粒狀多晶硅，它是單個或多個較大尺寸硅晶粒組成的，晶粒內部結晶質

4、量接近單晶硅(Raman峰位519.03 cm-1，半高寬5.92 cm-1)。
　　(2)研究較厚鋁層樣品鋁誘導晶化過程。對于鋁層厚度為440 nm樣品，在450和500℃氮氣氛中退火8h，均發(fā)現(xiàn)樣品原始鋁層出現(xiàn)多晶Si顆粒，結晶質量接近單晶硅，但樣品鋁層和硅層的層交換不完全，顆粒之間有較多鋁殘留;我們將樣品在500℃的退火時間進一步延長，發(fā)現(xiàn)多晶Si顆粒不再長大，而非晶硅層的晶化率卻逐步提高;由此證明在退火一定時間后非晶硅層硅

5、原子在非晶硅層直接晶化，形成穩(wěn)定的硅原子，幾乎不再向鋁層中擴散，使得原始鋁層形成的多晶硅顆粒尺寸沒有明顯增長，從而沒有形成連續(xù)膜。
　　(3)研究了非晶硅層與鋁層厚度比對鋁誘導晶化形成的多晶硅膜連續(xù)性的影響。設計了三組不同硅鋁厚度比的樣品，分別為1∶1、3∶1和6∶1，在500℃退火4h條件下，發(fā)現(xiàn)硅鋁厚度比越大，形成的多晶硅膜的連續(xù)性越好。這是因為當硅鋁厚度比很小時，沒有足夠的硅原子擴散進鋁層，使得最終鋁層中多晶硅所占比例即晶化

6、比例較小;當硅鋁厚度比增大，硅原子總量相對鋁原子增多，硅原子供應充足，最終就可以獲得晶化比例更大的多晶硅。本文在硅鋁厚度比為6∶1時制備出了連續(xù)的多晶硅膜，Raman測試峰位513.82 cm-1、半高寬6.22 cm-1，表明多晶硅膜結晶質量高，XRD測試結果表明制備的多晶硅膜具有Si(111)擇優(yōu)取向性。
　　(4)在鋁層與非晶硅層間插入一層非晶鍺(amorphous germanium: a-Ge)，研究a-Ge層對AIC晶

7、化過程的影響。生長的鋁層和非晶硅層厚度分別為50nm和300 nm，當在鋁層及非晶硅層間插入鍺層厚度為2 nm或12 nm時，在500℃溫度下退火，樣品晶化速度均比無鍺插層樣品快，且誘導生成多晶硅鍺合金，這是由于退火溫度高于鍺鋁共熔溫度(420℃)，生長模式發(fā)生改變，不同于傳統(tǒng)AIC固溶及析出的生長模式，是由固態(tài)到液態(tài)再到固態(tài)的過程，涉及鋁鍺硅三元相變;在鋁層和硅層間插入2 nm薄鍺層，在500℃退火0.5h即可得到連續(xù)的多晶硅鍺膜，從

8、XRD衍射峰可看到晶化程度很高，且具有(111)晶化取向性。
　　(5)創(chuàng)新性的研究了石英/Al/a-Ge/a-Si結構樣品硅鋁層厚度比及退火溫度對晶化結果的影響。在50 nm鋁層和12 nm鍺層情況下，非晶硅層厚度為300 nm樣品與非晶硅層厚度為100 nm樣品相比，誘導形成的多晶硅鍺成分更均勻，晶化程度更高。對于鍺插層為12 nm且非晶硅層厚度為300 nm樣品，退火溫度越高，晶化過程進行的越快，形成的硅鍺合金中硅的組分越高