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1、河北大学 硕士学位论文 石英衬底上多晶Si薄膜的制备与电学特性 姓名：郭延岭 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：彭英才 2011-06 摘 要 I 摘 要 多晶硅（pc-Si）薄膜作为一种光电信息材料, 有着不同于体材料的许多物理特性， 这使其在光伏器件中有着潜在的应用价值。本工作以石英玻璃为衬底，利用高频化学气 相淀积（HFCVD）和低压化学汽相淀积（LPCVD）两种不同的方法生长多晶 Si 薄膜，通 过改变生长条件来生长不同厚度和不同结晶质量的多晶 Si 薄膜。对 HFCVD 生长的多晶 Si 薄膜，得到晶粒尺寸为 13m，且排列致密的多晶硅薄膜，实验采用高温扩散炉
2、对 其进行了不同温度和时间的高温硼（B）掺杂，然后对其电学特性进行测量，得到了最 小方块电阻为 100/；对 LPCVD 生长的多晶 Si 薄膜，采用不同温度和时间的热退火 处理，观察退火温度和时间对多晶硅薄膜结晶质量的影响，实验发现随着生长温度的升 高，多晶硅薄膜的晶粒尺寸变大；对其进行原位掺杂生长和后退火处理，发现生长温度 和退火处理都能减小其方块电阻，并得到退火后最小方块电阻为 45/。实验采用扫 描电子显微镜（SEM） 、X-射线衍射仪(XRD)等测试手段对两种方法生长的多晶硅薄膜样 品的表面形貌、生长晶向进行了结构表征和测试分析，研究了不同生长条件对 pc-Si 薄 膜生长的影响，结
3、果表明，随着生长温度的增加多晶 Si 薄膜的晶粒尺寸随之增加，并 且其结晶质量也得到进一步的优化； 反应浓度和生长压强等条件对薄膜的生长速率有着 显著的影响。测试发现，生长的多晶 Si 薄膜出现三个方向的晶向、， 其择优取向为晶向。 利用四探针测试仪和霍尔效应测试仪对掺杂后的多晶 Si 薄膜 的电学特性进行了测试，探讨了薄膜结构和掺杂条件对 pc-Si 薄膜电学性质的影响，实 验数据表明，随着扩散温度的升高和扩散时间延长有助于 pc-Si 薄膜的重结晶，减少晶 粒边界的缺陷，进一步激活杂质原子。扩散温度和扩散时间的增加也有助于杂质向多晶 Si 薄膜内部进行扩散， 从而使 pc-Si 薄膜的方块
4、电阻变小。 同时对掺杂前后 pc-Si 的光 反射谱进行了测量，研究了生长条件和掺杂条件对 pc-Si 薄膜的反光特性的影响，得出 生长和退火温度的增加能增大薄膜对光的吸收性， 在622nm处反射率最小， 约为18.24%。 关键词 多晶 Si 薄膜 电学特性 结构表征 表面形貌 热扩散 光反射特性 Abstract II Abstract The polycrystalline silicon(poly-Si) thin-films have many potential applications in the photovoltaic devices. The poly-Si thin f
5、ilms on the quartz glass substrate were grown by high-frequency chemical vapor deposition (HFCVD) and low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), By changing the growth temperature, gas concentration, reaction time and pressure to grow poly-Si films with different thickness and quality, the grai
6、ns size are 1 3m. B-doped poly-Si films were grown in high temperature diffusion furnace, and their electrical properties were measured, the minimum sheet resistance is 100/ by HFCVD, and after rannealing sheet resistance is 45/ by LPCVD. The surface morphology and structured characterization of the
7、 poly-Si thin-films were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The result show that with increasing growth temperature, poly-Si thin-films grain sizes were increased, and its crystalline quality was improved, the test found, three crystal orientation appear 、, t
8、he orientation is the strongest. The gas concentration and growing pressure strongly effect to the growth rate of the poly-Si films. The electrical properties of doped poly-Si thin-films were tested by four-probe mete and Hall effet tester. Experimental results show that with increasing the diffusio
9、n temperature and time ,would lead to the poly-Si thin-films were recrystallized. also can reduce grain boundary defects and to activating impurities atoms. At the same time, increase of diffusion temperature and time would lead to many impurities into the poly-Si thin films, so that can reduce the
10、poly-Si thin-films sheet resistance. We measure the light reflection ratio of poly-Si films, and studied the relationship between growth conditions or doping conditions of polycrystalline thin film and reflective properties. It was found that with the increase of growth and annealing temperature, th
11、e light absorption ratio of poly-Si films also get increased the least reflectivity is about 18.24% in 622nm. Keywords polycrystalline silicon thin-film; electrical property; structural characterization; morphology; thermal diffusion; spectral reflectance characteristic 第 1 章 引 言 1 第 1 章 引 言 多晶 Si（p
12、c-Si）是尺寸大小按照特定规律分布、晶体学取向随机分布的单晶 Si 晶 粒集合而成的。在多晶 Si 的每个晶粒内部，原子都是按一定次序周期点阵排列，晶粒 内部不存在晶格缺陷，但是在晶粒间界却存在着大量的缺陷1。由于在多晶 Si 的特殊结 构， 因此其有着不同于单晶硅的物理性质。 多晶 Si 薄膜是利用 CVD 等一系列生长工艺， 在固体表面上生长的一层厚度为几微米到几百微米厚的薄膜， 其作为微电子生产制造领 域的重要材料业已被广泛的应用于集成电路等电子领域。同时，近年来随着光伏产业的 发展，多晶 Si 薄膜已经广泛的应用于太阳电池中。本文将围绕多晶 Si 薄膜的生长为研 究，深入对多晶 Si
13、 薄膜的结构表征及光电学性能进行研究，从而探讨工艺条件对其物 理性能的影响。 1.1 多晶 Si 薄膜在太阳电池中的应用 随着世界能源需求量的增加，石油和煤炭资源在未来的4060年期间会消耗殆尽， 而我国的化石能源的利用时间会小于这个期限， 所以寻求一种能取代化石能源的新型绿 色能源已经成为世界各国政府的必须面对的巨大挑战。太阳光是一种取之不尽，且对环 境没有污染，作为一种绿色新型能源，已经引起了世界各国的广泛关注。 我们对薄膜太阳电池的一般要求是： （1）高的光电转换效率； （2）低的环境污染性； （3）成熟的工业化生产，并且材料本身性能稳定。多晶Si薄膜材料集合单晶硅（c-Si） 和非晶硅
14、（a-Si）材料的优点，作为一种应用于太阳能电池的新型薄膜材料，已经在当 今的光伏产业界受到越来越大的重视，多晶Si薄膜在长波段具有良好的光敏性，可以很 好的吸收可见光，而且又不具有a-Si的光致衰减（S-W）效应，所以多晶Si薄膜太阳电 池具有低成本、低能耗、高效率、长寿命、以及制备简单等众多优点。是一种集聚发展 潜力的光伏材料2。 多晶Si薄膜太阳电池的厚度一般从几m到几十m，仅为体Si材料厚度的1/100到 1/10，所以能大大的降低Si原料的耗费，从而极大地降低了生产成本，而且其制造工艺 简单，工艺成熟。多晶Si薄膜不像非晶Si薄膜那样具有光致衰减效应，所以其具有很好 的光稳定性，可以
15、吸收波长为7001000nm的长波长范围的光，提高了其对太阳光的吸 收性，从而大大提高了其光电转换效率。多晶Si薄膜可以在玻璃、塑料、不锈钢等一系 河北大学理学硕士学位论文 2 列廉价的衬底上进行生长，而且其实验室效率已经达到18%，其大面积的生长转化效率 也达到了8%14%左右，可见多晶Si薄膜的转换效率远大于a-Si薄膜的转换效率，而又 接近于单晶Si薄膜的转换效率。 因此人们普遍认为多晶Si薄膜材料是取代单晶Si和非晶 Si材料的新一代光伏太阳电池材料。进一步降低多晶Si薄膜太阳电池的生长成本，以及 提高多晶Si薄膜的转换效率已经成为世界各国的研究热点3-4。 目前商品化的多晶Si薄膜太
16、阳电池的转换效率约12%14%，产量占Si太阳电池的 50%左右5。2002年，Sandia的Basore在玻璃衬底上成长12m厚的多晶Si薄膜太阳电 池，得到转换效率为8.20.2%、开路电压25.0V、填充因子为0.68的太阳能电池6。New South Wales大学的Widenborg等人在1515cm2的AIT柔性玻璃衬底上采用PECVD技术生 长一层Si:H薄膜，再利用RTA技术在9001000下晶化成多晶Si薄膜，得到转换效率 为7%的太阳电池7。 1.2 多晶 Si 薄膜的制备方法 淀积多晶 Si 薄膜的方法有很多种，可以分为高温工艺和低温工艺，但以化学汽相 淀积 （即 CVD： Chemical Vapor Deposition） 为主， 高温工艺以常压化学气相淀积 （APCVD） ， 以及低压化学汽相淀积（LPCVD）为代表；低温工艺以离子体增强化学气相沉积（PECVD） 为代表；此外还包括固相晶化（SPC） 、真空蒸发、准分子激光晶化（ELC） 、液相外延 （LPE） 、溅射、准分
