一種制備nc-Si/SiOx薄膜MIS結構器件的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法。
【背景技術】
[0002]納米晶硅(nc-Si)因量子限制效應而具有一系列獨特的光電性能，在全色顯示和光伏器件等領域具有誘人的應用前景，通常nc-Si材料采用以S12或S1x為介質的鑲嵌結構，相比于Si02，S1x作為鑲嵌結構具有很多優點，比如有更低的表面態密度，更高的介電常數，而且S1x帶隙可以通過X值調節。這些優點使得nC-Si/S1x薄膜在異質結中具有更廣泛的應用前景。
[0003]PECVE法沉積S1x薄膜通常采用SiH4和N2O作為氣體源。X值的調節通過改變SiH4和N2O的饋入比例即可實現。當N2O和SiH4被電離后硅烷與氧離子的動能基本保持一致，容易結合形成S1x，而氮離子動能均比氧離子和硅烷衰減快，加之大量氮離子已經在N20開始電離產生的氧離子重新結合生成一氧化氮(NO)揮發氣體被排除，因此氮離子再與硅烷發生碰撞反應的概率較低。但是還會殘存一部分N離子進入到S1x薄膜。殘存的這部分N會對薄膜的性質產生影響，使得薄膜缺陷增加，影響其電輸運，最終導致薄膜光電效率減弱。因此，消除N原子摻入是提高nc-Si/S1x薄膜質量關鍵的環節。
【發明內容】
[0004]鑒于現有技術中的上述問題，提出了本發明，本發明的目的在于以SiH4和N2O為反應源用PECVD法生長nc-Si/S1x薄膜過程中，通過加襯底負偏壓控制等離子體的能量和離子流密度。增大了N2O分解的氧離子和Si結合速率同時抑制了氮粒子和Si的結合，避免和襯底上的硅活性基團生成S1-N鍵，減少膜中載流子陷阱的形成，從而提高薄膜的載流子輸運效率。
根據本發明的一方面，提供一種制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其中，MIS結構器件的M層為電極層，I層為nc-Si/S1x薄膜，S層為P型晶體硅，其特征在于，所述方法包括以下步驟:(I)樣品制備步驟:將雙面拋光的P型(100)晶相單晶娃片裁成3cmX3cm見方小片，作為待生長薄膜的襯底，所述單晶硅的電阻率為5-10Ω.cm; (2)樣品準備步驟:將單晶硅片先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分鐘，然后烘干，再用體積比為1:2:5的NH4OH = H2O2 = H2O混合液浸泡5分鐘，經去離子水處理后，再放入體積比為1:10的HF = H2O溶液中I分鐘，然后取出，用去離子水清洗，最后烘干；(3)抽真空步驟;將單晶硅片襯底放在下電極上，進行抽真空，腔內真空度達到10—4pa時加熱下電極，加熱溫度為200-500 V ； (4)通氣步驟:通入純度為99.9999 %的SiH4氣體、純度為99.999 %的H2氣體和純度99.999 %的N2O氣體的混合氣體，其中 SiH4、H2 和 N2O 總流量 90sccm-150sccm，流量比為 2:98:2-2:98:10,反應氣壓為 100_300pa ；
[5]射頻發生步驟:開啟射頻電源，調節最佳匹配，其中射頻電源頻率為13.56Mz，功率為80-200w;(6)加偏壓步驟:開啟下電極偏壓源，直流負偏壓，電壓值為10-100v;(7)薄膜生長步驟:生長nc-Si/S1x薄膜，生長時間為1-2小時，膜厚為200nm-300nm;以及(8)將生長有nc-Si/S1x薄膜的單晶硅片取出，放入高真空電阻蒸發鍍膜機，并將鋁條放入所述鍍膜機，打開機械栗腔內壓強先抽到5.5pa然后打開分子栗和冷卻水將壓強抽到10—4帕，再繼續抽I小時后開始鍍電極膜層，蒸發電壓1.45V，鍍膜時間為5分鐘，鍍膜完成后，將nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件取出，測量器件的電學性質。
[0005]作為優選的方案，在所述抽真空步驟中，下電極的加熱溫度為350°C。
[0006]作為優選的方案，在所述通氣步驟中，SiH4、H2和N2O總流量為104sccm。
[0007]作為優選的方案，在所述通氣步驟中，SiM2和N2O的流量比為2:98: 4。
[0008]作為優選的方案，在所述通氣步驟中，所述反應氣壓為230pa。
[0009]作為優選的方案，在所述加偏壓步驟中，直流負偏壓的電壓值為65v。
[0010]作為優選的方案，在所述射頻發生步驟中，射頻電源的功率為120w。
[0011]作為優選的方案，在所述生長步驟中，氫化納米晶硅薄膜的厚度控制為200納米，生長時間為I小時。
【附圖說明】
[0012]圖1為制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]現在，參照附圖詳細說明本發明的示例性實施例。應當指出，除非另外具體說明，在這些實施例中描述的部件、數字表示和數值的相對配置不限制本發明的范圍。
首先，參照圖1說明本發明的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法。附圖標記說明如下:
I射頻陰極;2下電極;3進氣口； 4出氣口； 5樣品；
6金屬反應腔
[0014]本發明制備設備包括射頻陰極1、下電極2、進氣口3、排氣口 4、樣品5和金屬反應腔
6o
[0015]將SiH4、H2和N2O的混合氣體從進氣口 3通入金屬反應腔，未反應完的SiH4、H2和N2O及中間產物N2，NO等氣體，從排氣口 5排出。射頻陰極I與下電極2之間的距離為5cm，樣品5放置于下電極2上。
[0016]直流偏壓源為下電極2提供直流偏壓。偏壓為直流負偏壓，電壓值為lO-lOOv，優選65v0
[0017]樣品5為單晶娃片，表面積3cmX3cm，厚度0.1mm。
[0018]在制備nc-Si/S1x薄膜時，在射頻陰極I和下電極2之間形成等離子放電區，樣品5位于等離子放電區內。
[0019]接下來，說明nc-Si/S1x薄膜的形成過程。
[0020]首先笑氣N2O在等離子體中被分解，產生氧原子或氧自由基，被激活的氧基或者與SiH反應，生成(SiH3)2O,或者參與表面形成氧化物。反應過程為:
N2O+X*~^NO+N*
ΝΟ+ΧΦ—Ο+Ν 氺
SiH4+0*—(SiH3)2OH2 (SiH3) 20+0*—s i O2+H2+H2O
其中，X*表示等離子體中的自由基或電子。
[0021]下面具體說明本發明的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其中M層為電極層，優選為銀電極層，I層為nc-Si/S1x薄膜，S層為P型晶體硅。該方法包括以下步驟:
(1)樣品制備步驟:將雙面拋光的P型(100)晶相單晶硅片裁成3cmX3cm見方小片，作為待生長薄膜的襯底，所述單晶硅的電阻率為5-10 Ω.cm；
(2)樣品準備步驟:將單晶硅片襯底先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分鐘，然后烘干，再用體積比為I: 2: 5的NH4OH: H2O2: H2O混合液浸泡5分鐘，經去離子水處理后，再放入HF:H20(1:10)中I分鐘，然后取出，用去離子水清洗，最后烘干；
(3)抽真空步驟;將單晶硅片襯底放在下電極上，進行抽真空，腔內真空度達到10—4pa時加熱下電極，加熱溫度為200-500°C，優選350°C。(4)通氣步驟:通入反應氣體SiH4(純度99.9999 % )、H2 (純度99.999%)和N20(純度99.999%)的混合氣體，其中SiH^H2和N2O總流量90sccm-150sccm，優選 104sccm，流量比 2:98:2-2:98:10，優選 2:98:4，反應氣壓為 100—300pa，優選230pa ；
(5)射頻發生步驟:開啟射頻電源，調節最佳匹配，其中射頻電源頻率為13.56Mz，功率為80-200w，優選 120w。
(6)加偏壓步驟:開啟下電極偏壓源，直流負偏壓，電壓值為1-1OOv，優選65V。
(7)薄膜生長步驟:生長nc-Si/S1x薄膜，生長時間為1-2小時，膜厚為200nm-300nm，膜厚優選為200nm，生長時間優選為I小時。
(8)將生長有nc-Si/S1x薄膜的單晶硅片取出，放入高真空電阻蒸發鍍膜機，并將鋁條放入所述鍍膜機，打開機械栗腔內壓強先抽到5.5pa然后打開分子栗和冷卻水將壓強抽到I O—4帕，再繼續抽I小時后開始鍍電極膜層，蒸發電壓1.45 V，鍍膜時間為5分鐘，鍍膜完成后，將nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件取出，測量器件的電學性質。
本發明制備的nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件，通過襯底直流偏壓的控制減小了等離子中N離子進入薄膜的幾率，降低了薄膜缺陷態形成，提高了 MIS器件載流子傳輸效率。
【主權項】
1.一種制備nc-Si/S1X薄膜MIS結構器件的方法，其中，MIS結構器件的M層為電極層，I層為nc-Si/S1x薄膜，S層為P型晶體硅，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)樣品制備步驟:將雙面拋光的P型(100)晶相單晶硅片裁成3cmX3cm見方小片，作為待生長薄膜的襯底，所述單晶硅的電阻率為5-10 Ω.cm； (2)樣品準備步驟:將單晶硅片先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分鐘，然后烘干，再用體積比為1: 2:5的NH4OH: H2O2: H2O混合液浸泡5分鐘，經去離子水處理后，再放入體積比為1:10的HF: H2O溶液中I分鐘，然后取出，用去離子水清洗，最后烘干； (3)抽真空步驟;將單晶硅片襯底放在下電極上，進行抽真空，腔內真空度達到10—4pa時加熱下電極，加熱溫度為200-500°C ； (4)通氣步驟:通入純度為99.9999 %的SiH4氣體、純度為99.999%的H2氣體和純度99.999 %的N2O氣體的混合氣體，其中SiH4、H2和N2O總流量90sccm-150sccm，流量比為2:98:2-2:98:10，反應氣壓為 100-300pa ； (5)射頻發生步驟:開啟射頻電源，調節最佳匹配，其中射頻電源頻率為13.56Mz，功率為80-200W; (6)加偏壓步驟:開啟下電極偏壓源，直流負偏壓，電壓值為1-1OOv; (7)薄膜生長步驟:生長nc-Si/S1x薄膜，生長時間為1-2小時，膜厚為200nm-300nm;以及 (8)將生長有nc-Si/S1x薄膜的單晶硅片取出，放入高真空電阻蒸發鍍膜機，并將鋁條放入所述鍍膜機，打開機械栗，腔內壓強先抽到5.5pa然后打開分子栗和冷卻水將壓強抽到I O—4帕，再繼續抽I小時后開始鍍電極膜層，蒸發電壓1.45 V，鍍膜時間為5分鐘，鍍膜完成后，將nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件取出，測量器件的電學性質。2.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述抽真空步驟中，下電極的加熱溫度為350°C。3.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述通氣步驟中，SiH4、H2和N2O總流量為104sccm。4.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述通氣步驟中，SiH4、H2和N2O的流量比為2:98:4ο5.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述通氣步驟中，所述反應氣壓為230pa。6.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述加偏壓步驟中，直流負偏壓的電壓值為65v。7.根據權利要求1所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述射頻發生步驟中，射頻電源的功率為120w。8.根據權利要求1-7所述的制備nc-Si/S1x薄膜MIS結構器件的方法，其特征在于，在所述生長步驟中，氫化納米晶硅薄膜的厚度控制為200納米，生長時間為I小時。
【專利摘要】本發明提供一種制備nc-Si/SiOx薄膜MIS結構器件的方法，所述方法包括：樣品制備步驟、樣品準備步驟、抽真空步驟、通氣步驟、射頻發生步驟、加偏壓步驟、薄膜生長步驟等。本發明通過加襯底負偏壓控制等離子體的能量和離子流密度，增大了N2O分解的氧離子和Si結合速率同時抑制了氮粒子和Si的結合，避免和襯底上的硅活性基團生成Si-N鍵，減少膜中載流子陷阱的形成，從而提高薄膜的載流子輸運效率。
【IPC分類】B82Y30/00, H01L21/285, H01L29/423, B82Y40/00, H01L21/02
【公開號】CN105679652
【申請號】CN201610044708
【發明人】徐艷梅, 張貴銀, 趙占龍, 王永杰
【申請人】華北電力大學（保定）
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月22日