一种制备nc-Si/SiOx薄膜MIS结构器件的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法。
【背景技术】
[0002]纳米晶硅(nc-Si)因量子限制效应而具有一系列独特的光电性能，在全色显示和光伏器件等领域具有诱人的应用前景，通常nc-Si材料采用以S12或S1x为介质的镶嵌结构，相比于Si02，S1x作为镶嵌结构具有很多优点，比如有更低的表面态密度，更高的介电常数，而且S1x带隙可以通过X值调节。这些优点使得nC-Si/S1x薄膜在异质结中具有更广泛的应用前景。
[0003]PECVE法沉积S1x薄膜通常采用SiH4和N2O作为气体源。X值的调节通过改变SiH4和N2O的馈入比例即可实现。当N2O和SiH4被电离后硅烷与氧离子的动能基本保持一致，容易结合形成S1x，而氮离子动能均比氧离子和硅烷衰减快，加之大量氮离子已经在N20开始电离产生的氧离子重新结合生成一氧化氮(NO)挥发气体被排除，因此氮离子再与硅烷发生碰撞反应的概率较低。但是还会残存一部分N离子进入到S1x薄膜。残存的这部分N会对薄膜的性质产生影响，使得薄膜缺陷增加，影响其电输运，最终导致薄膜光电效率减弱。因此，消除N原子掺入是提高nc-Si/S1x薄膜质量关键的环节。
【发明内容】
[0004]鉴于现有技术中的上述问题，提出了本发明，本发明的目的在于以SiH4和N2O为反应源用PECVD法生长nc-Si/S1x薄膜过程中，通过加衬底负偏压控制等离子体的能量和离子流密度。增大了N2O分解的氧离子和Si结合速率同时抑制了氮粒子和Si的结合，避免和衬底上的硅活性基团生成S1-N键，减少膜中载流子陷阱的形成，从而提高薄膜的载流子输运效率。
根据本发明的一方面，提供一种制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其中，MIS结构器件的M层为电极层，I层为nc-Si/S1x薄膜，S层为P型晶体硅，其特征在于，所述方法包括以下步骤:(I)样品制备步骤:将双面抛光的P型(100)晶相单晶娃片裁成3cmX3cm见方小片，作为待生长薄膜的衬底，所述单晶硅的电阻率为5-10Ω.cm; (2)样品准备步骤:将单晶硅片先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分钟，然后烘干，再用体积比为1:2:5的NH4OH = H2O2 = H2O混合液浸泡5分钟，经去离子水处理后，再放入体积比为1:10的HF = H2O溶液中I分钟，然后取出，用去离子水清洗，最后烘干；(3)抽真空步骤;将单晶硅片衬底放在下电极上，进行抽真空，腔内真空度达到10—4pa时加热下电极，加热温度为200-500 V ； (4)通气步骤:通入纯度为99.9999 %的SiH4气体、纯度为99.999 %的H2气体和纯度99.999 %的N2O气体的混合气体，其中 SiH4、H2 和 N2O 总流量 90sccm-150sccm，流量比为 2:98:2-2:98:10,反应气压为 100_300pa ；
[5]射频发生步骤:开启射频电源，调节最佳匹配，其中射频电源频率为13.56Mz，功率为80-200w;(6)加偏压步骤:开启下电极偏压源，直流负偏压，电压值为10-100v;(7)薄膜生长步骤:生长nc-Si/S1x薄膜，生长时间为1-2小时，膜厚为200nm-300nm;以及(8)将生长有nc-Si/S1x薄膜的单晶硅片取出，放入高真空电阻蒸发镀膜机，并将铝条放入所述镀膜机，打开机械栗腔内压强先抽到5.5pa然后打开分子栗和冷却水将压强抽到10—4帕，再继续抽I小时后开始镀电极膜层，蒸发电压1.45V，镀膜时间为5分钟，镀膜完成后，将nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件取出，测量器件的电学性质。
[0005]作为优选的方案，在所述抽真空步骤中，下电极的加热温度为350°C。
[0006]作为优选的方案，在所述通气步骤中，SiH4、H2和N2O总流量为104sccm。
[0007]作为优选的方案，在所述通气步骤中，SiM2和N2O的流量比为2:98: 4。
[0008]作为优选的方案，在所述通气步骤中，所述反应气压为230pa。
[0009]作为优选的方案，在所述加偏压步骤中，直流负偏压的电压值为65v。
[0010]作为优选的方案，在所述射频发生步骤中，射频电源的功率为120w。
[0011]作为优选的方案，在所述生长步骤中，氢化纳米晶硅薄膜的厚度控制为200纳米，生长时间为I小时。
【附图说明】
[0012]图1为制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]现在，参照附图详细说明本发明的示例性实施例。应当指出，除非另外具体说明，在这些实施例中描述的部件、数字表示和数值的相对配置不限制本发明的范围。
首先，参照图1说明本发明的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法。附图标记说明如下:
I射频阴极;2下电极;3进气口； 4出气口； 5样品；
6金属反应腔
[0014]本发明制备设备包括射频阴极1、下电极2、进气口3、排气口 4、样品5和金属反应腔
6o
[0015]将SiH4、H2和N2O的混合气体从进气口 3通入金属反应腔，未反应完的SiH4、H2和N2O及中间产物N2，NO等气体，从排气口 5排出。射频阴极I与下电极2之间的距离为5cm，样品5放置于下电极2上。
[0016]直流偏压源为下电极2提供直流偏压。偏压为直流负偏压，电压值为lO-lOOv，优选65v0
[0017]样品5为单晶娃片，表面积3cmX3cm，厚度0.1mm。
[0018]在制备nc-Si/S1x薄膜时，在射频阴极I和下电极2之间形成等离子放电区，样品5位于等离子放电区内。
[0019]接下来，说明nc-Si/S1x薄膜的形成过程。
[0020]首先笑气N2O在等离子体中被分解，产生氧原子或氧自由基，被激活的氧基或者与SiH反应，生成(SiH3)2O,或者参与表面形成氧化物。反应过程为:
N2O+X*~^NO+N*
ΝΟ+ΧΦ—Ο+Ν 氺
SiH4+0*—(SiH3)2OH2 (SiH3) 20+0*—s i O2+H2+H2O
其中，X*表示等离子体中的自由基或电子。
[0021]下面具体说明本发明的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其中M层为电极层，优选为银电极层，I层为nc-Si/S1x薄膜，S层为P型晶体硅。该方法包括以下步骤:
(1)样品制备步骤:将双面抛光的P型(100)晶相单晶硅片裁成3cmX3cm见方小片，作为待生长薄膜的衬底，所述单晶硅的电阻率为5-10 Ω.cm；
(2)样品准备步骤:将单晶硅片衬底先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分钟，然后烘干，再用体积比为I: 2: 5的NH4OH: H2O2: H2O混合液浸泡5分钟，经去离子水处理后，再放入HF:H20(1:10)中I分钟，然后取出，用去离子水清洗，最后烘干；
(3)抽真空步骤;将单晶硅片衬底放在下电极上，进行抽真空，腔内真空度达到10—4pa时加热下电极，加热温度为200-500°C，优选350°C。(4)通气步骤:通入反应气体SiH4(纯度99.9999 % )、H2 (纯度99.999%)和N20(纯度99.999%)的混合气体，其中SiH^H2和N2O总流量90sccm-150sccm，优选 104sccm，流量比 2:98:2-2:98:10，优选 2:98:4，反应气压为 100—300pa，优选230pa ；
(5)射频发生步骤:开启射频电源，调节最佳匹配，其中射频电源频率为13.56Mz，功率为80-200w，优选 120w。
(6)加偏压步骤:开启下电极偏压源，直流负偏压，电压值为1-1OOv，优选65V。
(7)薄膜生长步骤:生长nc-Si/S1x薄膜，生长时间为1-2小时，膜厚为200nm-300nm，膜厚优选为200nm，生长时间优选为I小时。
(8)将生长有nc-Si/S1x薄膜的单晶硅片取出，放入高真空电阻蒸发镀膜机，并将铝条放入所述镀膜机，打开机械栗腔内压强先抽到5.5pa然后打开分子栗和冷却水将压强抽到I O—4帕，再继续抽I小时后开始镀电极膜层，蒸发电压1.45 V，镀膜时间为5分钟，镀膜完成后，将nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件取出，测量器件的电学性质。
本发明制备的nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件，通过衬底直流偏压的控制减小了等离子中N离子进入薄膜的几率，降低了薄膜缺陷态形成，提高了 MIS器件载流子传输效率。
【主权项】
1.一种制备nc-Si/S1X薄膜MIS结构器件的方法，其中，MIS结构器件的M层为电极层，I层为nc-Si/S1x薄膜，S层为P型晶体硅，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)样品制备步骤:将双面抛光的P型(100)晶相单晶硅片裁成3cmX3cm见方小片，作为待生长薄膜的衬底，所述单晶硅的电阻率为5-10 Ω.cm； (2)样品准备步骤:将单晶硅片先用丙酮和甲醇混合液浸泡3分钟，然后烘干，再用体积比为1: 2:5的NH4OH: H2O2: H2O混合液浸泡5分钟，经去离子水处理后，再放入体积比为1:10的HF: H2O溶液中I分钟，然后取出，用去离子水清洗，最后烘干； (3)抽真空步骤;将单晶硅片衬底放在下电极上，进行抽真空，腔内真空度达到10—4pa时加热下电极，加热温度为200-500°C ； (4)通气步骤:通入纯度为99.9999 %的SiH4气体、纯度为99.999%的H2气体和纯度99.999 %的N2O气体的混合气体，其中SiH4、H2和N2O总流量90sccm-150sccm，流量比为2:98:2-2:98:10，反应气压为 100-300pa ； (5)射频发生步骤:开启射频电源，调节最佳匹配，其中射频电源频率为13.56Mz，功率为80-200W; (6)加偏压步骤:开启下电极偏压源，直流负偏压，电压值为1-1OOv; (7)薄膜生长步骤:生长nc-Si/S1x薄膜，生长时间为1-2小时，膜厚为200nm-300nm;以及 (8)将生长有nc-Si/S1x薄膜的单晶硅片取出，放入高真空电阻蒸发镀膜机，并将铝条放入所述镀膜机，打开机械栗，腔内压强先抽到5.5pa然后打开分子栗和冷却水将压强抽到I O—4帕，再继续抽I小时后开始镀电极膜层，蒸发电压1.45 V，镀膜时间为5分钟，镀膜完成后，将nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件取出，测量器件的电学性质。2.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述抽真空步骤中，下电极的加热温度为350°C。3.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述通气步骤中，SiH4、H2和N2O总流量为104sccm。4.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述通气步骤中，SiH4、H2和N2O的流量比为2:98:4ο5.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述通气步骤中，所述反应气压为230pa。6.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述加偏压步骤中，直流负偏压的电压值为65v。7.根据权利要求1所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述射频发生步骤中，射频电源的功率为120w。8.根据权利要求1-7所述的制备nc-Si/S1x薄膜MIS结构器件的方法，其特征在于，在所述生长步骤中，氢化纳米晶硅薄膜的厚度控制为200纳米，生长时间为I小时。
【专利摘要】本发明提供一种制备nc-Si/SiOx薄膜MIS结构器件的方法，所述方法包括：样品制备步骤、样品准备步骤、抽真空步骤、通气步骤、射频发生步骤、加偏压步骤、薄膜生长步骤等。本发明通过加衬底负偏压控制等离子体的能量和离子流密度，增大了N2O分解的氧离子和Si结合速率同时抑制了氮粒子和Si的结合，避免和衬底上的硅活性基团生成Si-N键，减少膜中载流子陷阱的形成，从而提高薄膜的载流子输运效率。
【IPC分类】B82Y30/00, H01L21/285, H01L29/423, B82Y40/00, H01L21/02
【公开号】CN105679652
【申请号】CN201610044708
【发明人】徐艳梅, 张贵银, 赵占龙, 王永杰
【申请人】华北电力大学（保定）
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月22日