《硅薄膜材料》PPT课件

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1、第七章硅薄膜材料提纲7.1非晶硅薄膜材料7.1.1非晶硅薄膜的特征及基本性质7.1.2非晶硅薄膜的制备7.1.3非晶硅薄膜的缺陷及钝化7.2多晶硅薄膜材料7.2.1多晶硅薄膜的特征和基本性质7.2.2多晶硅薄膜的基本制备7.2.3多晶硅薄膜的晶界和缺陷硅材料最重要的形式是硅单晶，在微电子工业和太阳能光伏工业已经广泛应用，受单晶硅材料价格和单晶硅电池制备过程的影响，降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的，发展了薄膜太阳电池产品来替代单晶硅电池。薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池铜铟锡和碲化镉薄膜电池多晶硅薄膜电池7.1非晶硅薄膜材料非晶硅是重要的薄膜半导体材料，

2、它具有独特的物理性能，可以大面积加工，因为太阳能光电材料已经在工业界广泛应用，它还在大屏幕液晶显示、传感器、摄像管等领域有重要的应用。非晶硅薄膜电池材料是硅和氢的一种合金，是一种资源丰富和环境安全的材料。一般利用化学气相沉积技术，通过硅烷等气体的热分解，在廉价的衬底上沉积而成。它具有备注方法简单、工艺成本低、制备温度低、可以大面积的制备等优点，已经在太阳电池上大规模应用。7.1.1非晶硅薄膜的特征及基本性质非晶硅薄膜具有制备工艺简单、成本低和可大面积连续生产的优点。非晶硅薄膜优点123材料和制备工艺成本低易于形成大规模生产能力多品种和多用途4易实现柔性

3、电池与晶体硅相比，薄膜非晶硅具有如下的基本特征和性质1）晶体的原子是在三维空间上周期性的有规则的重复排列，具有原子长程有序的特点，而非晶硅的原子在数纳米甚至更小的范围内呈有限的短程周期性的重复排列，但从长程结构来看，原子排列是无序的。如图7-1所示。2）晶体硅是由连续的共价键组成，而非晶硅虽然也是由共价键组成，价电子被束缚在共价键中，满足外层8个电子稳定结构的要求，而且每一个原子具有4个共价键，呈四面体结构，但共价键显示连续的无规则的网络结构。3）单晶硅的物理特性是各向异性，即在各个晶向方向其物理特性有微小的差异，而多晶硅、微晶硅、纳米硅的晶向呈多向性

4、，所以，其物理特性是各向同性，非晶硅的结构决定了它的物理性质也是具有各向同性的。4）从能带结构上看，非晶硅不仅具有导带、价带和禁带，而且具有导带尾带、价带尾带，其缺陷在能带中引入的缺陷能级比晶体硅中显著，有大量的悬挂键，会在禁带中引入深能级，取决于非晶硅结构的无序程度。其电子输运性质出现了跃迁导电机制，电子和空穴的迁移率很小，对电子而言，只有1cm2/Vs，对空穴而言，约0.1cm2/Vs。室温下，非晶硅薄膜的电阻率高。5）晶体硅是间接带隙结构，而非晶硅是直接带隙结构，所以光吸收率大。而且，禁带宽度也不是晶体硅的1.12eV，而是1.5eV，并且在一定

5、程度上可调。6）在一定范围内，取决于制备技术，通过改变掺杂剂和掺杂浓度，非晶硅的密度、电导率、禁带等性质可以连续变化和调整，易于实现新性能的开发和优化。7）非晶硅比晶体硅具有更高的晶格势能，因此在热力学上是处于亚稳状态，在合适的热处理条件下，非晶硅可以转化为多晶硅、微晶硅和纳米硅。实际上，后者的制备常常通过非晶硅的晶化而来。(a)非晶(b)单晶(c)多晶图7-1单晶、多晶与非晶的区别7.1.2非晶硅薄膜的制备制备非晶硅所要求的条件原则上比制备多晶硅低。非晶硅材料与晶体材料不同之处在于它的原子结构排列不是长程有序。例如，非晶硅的硅原子通常与四个其他硅原

6、子连接，连接键的角度和长度通常与晶体硅的相类似，但小的偏离迅速导致长程有序的排列完全丧失。单体的非晶硅本身并不具有任何重要的光伏性质。如果没有周期性的束缚力，则硅原子很难与其他四个原子键合。这使材料结构中由于不饱和或“悬挂”键而出现微孔。再加上由于原子的非周期性排列，增加了禁带中的允许态密度，结果就不能有效地掺杂半导体或得到适宜的载流子寿命。图中表明悬挂键是怎样产生以及怎样被氢钝化，然而，1975年报导了由辉光放电分解硅烷(SiH4)产生的非晶硅膜可以掺杂形成P-N结。此膜中含有氢(SiH4分解时所产生的)，在材料总原子数中占有相当的比例(5～10%)

7、。一般认为氢的作用是如图7-2所示那样填补了膜内部微孔中的悬挂键及其他结构缺陷。图7-2非晶硅结构示意图这就减少了禁带内的态密度，并允许材料进行掺杂。非晶硅的制备需要很快的冷却速度，一般要大于105℃/s，所以，其制备通常用气相沉积技术，如：等离子增强化学气相沉积（PE-CVD）、溅射气相沉积（SP-CVD）、光化学气相沉积（photo-CVD）和热丝化学气相沉积（HW-CVD）等。而最常用的技术是等离子增强化学气相沉积技术，即辉光放电分解气相沉积技术。圈7-3辉光放电系统的I-V特性曲线图7-4辉光放电系统的辉光区示意图（1）辉光放电的基本原理在真空

8、系统中通入稀薄气体，两电极之间将形成放电电流从而产生辉光放电现象。图7-3是辉光放电系统中的I