专利名称：基于共蒸法制备硅纳米晶超晶格结构的方法
技术领域：
本发明属于纳米加工技术领域，特别是一种具有纳米晶体超晶格结构 薄膜的制备方法。
背景技术：
随着世界人口的急剧增加，矿物能源被逐渐耗尽，对其他非矿物能源
的需求量越来越大。特别是在20世纪70年代爆发石油危机后，太阳能的 利用得到很大的发展。
自1954年贝尔实验室报道第一个商品化的Si太阳能电池以来，各种 太阳能电池相继问世。通过数十年来的不断发展，太阳能电池从第一代的 单晶硅太阳能电池、第二代的薄膜太阳能电池到现在第三代的高效太阳能 电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。其中第一代第二代太阳 能电池已经在市场上应用；第三代太阳能电池将充分利用纳米技术，目前 仍正处于发展中。
纳米晶薄膜太阳能电池，是属于第三代太阳能电池。纳米晶的典型尺 寸为1至10纳米，包含几个到几十个原子，由于荷电载流子的运动在量 子点受到三维的限制，能量发生量子化。量子点具有许多特性，在第三代 太阳能电池的利用中，它将利用可变化的能带宽度这个特性，达到对太阳 光谱带的吸收，而非单一波长，这使得量子点太阳能电池可大大提高光电 转化率，与目前最流行的多晶硅太阳能电池相比，生产能耗可减少20%， 光电效率可增加50%至1倍以上，并大大的降低了昂贵的材料费用。
目前制备纳米晶的方法有多种，比如等离子增强化学气相淀积方法 (PECVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)方法、离子注入Si到Si02中去的 方法，但这些方法均不能大规模制备纳米晶超晶格结构。国际上只有一种 方法制备纳米晶超晶格结构-反应SiO蒸发法，这种方法是蒸发一层SiO， 再氧化成Si02，如此反复形成纳米晶超晶格；此法非常繁杂，周期长，只适合于研究使用而不适于批量规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备硅纳米晶超晶格结构的方法，以用于 第三代太阳能电池。
本发明提出一种基于共蒸法制备硅纳米晶超晶格结构的方法，包括如 下步骤
一、 在衬底上生长二氧化硅层；
二、 将硅颗粒和氧化物颗粒的混合物蒸发至所述二氧化硅层上；
三、 将上述样品置于退火炉进行高温热退火。
进一步，其中步骤一所述的衬底为硅片，或为S0I衬底，或为钢片。 进一步，所述氧化物颗粒为二氧化铪颗粒，或为三氧化二铝颗粒，或
为一氧化硅颗粒，或为二氧化锆颗粒，或为二氧化锰颗粒，或为二氧化钴颗粒。
进一步，所述硅片或SOI衬底上所生长的二氧化硅为热氧化生长，所 述钢片上的生长方式为等离子增强化学气相淀积方法或者电子束蒸发二 氧化硅。
进一步，所述蒸发为电子束蒸发。
进一步，所述电子束蒸发所用的颗粒直径尺寸范围为1毫米到6毫米。 进一步，其中步骤三所述的退火为在氮气保护气氛下的高温热退火。
本发明将一定尺寸的Si颗粒和二氧化铪颗粒(或别的氧化物颗粒，见 上述)按一定比例均匀混合,这样两种颗粒物均匀混合。电子束蒸发时，电 子枪发出的微小电子束打到这些颗粒上，蒸发一个颗粒再蒸发另一个颗 粒，这样会形成多层结构；经过退火后会形成纳米晶，形成纳米晶超晶格 结构。
由于本发明所提供的制备硅纳米晶超晶格结构的方法所采用设备均 来自于传统的半导体制作工艺，因此其很容易与已有的微电子工艺相兼 容，适合于大规模批量生产；本方法所使用的材料如Si、 Si0、 二氧化铪 等氧化物高介电常数材料，均为微电子工艺中所使用的材料，因此成本低廉，与微电子工艺兼容匹配。在不需要额外投资的情况下，可以使用现有 的成熟设备、技术和材料，实现规模化生产。
图1是硅衬底上热氧化形成一层Si02(对应"具体实施方式
"部分的 步骤一)；
图2是电子束蒸发Si颗粒和二氧化铪颗粒等混合物(对应"具体实施 方式"部分的步骤二)；
图3是在氮气气氛下退火形成的Si纳米晶超晶格结构(对应"具体实 施方式"部分的步骤三)；
图4是采用本发明制作的样品的透射电镜图像，图中可看到带有晶格 条纹的Si纳米晶；
图5是采用本发明制作的样品的透射电镜图像，图中可看到一层一层 的叠层结构，即超晶格结构。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 发明的简单流程如下
步骤一、如图1所示，通过热氧化生长技术在硅衬底101上生长二氧 化硅层102;
歩骤二、如图2所示，通过电子束蒸发的方式在二氧化硅层102上镀
一层硅和二氧化铪混合物薄膜201;
步骤三、如图3所示，将样品在氮气保护气氛下进行高温热退火，形 成量子点超晶格结构301。
下面进一步说明本发明的详细工艺方法和步骤，其中
采用p型、(100)晶向的2寸硅片做衬底，该衬底厚525um,电阻率为 2-3Qcm。具体的工艺步骤如下
(1)将硅片在快速热氧化炉中90(TC氧化10分钟，生长致密的氧化 层；热氧化时通入氧气，可以用湿氧的办法也可以用热氧的办法。这取决于热氧化层的厚度。
(2) 电子束蒸发上硅和二氧化铪的混合物。其中，混合物由3.5克 的硅颗粒和2 .5克的二氧化铪颗粒组成，蒸发平均速度为lA/s;这个比
例是经过计算得知的。要形成Si量子点，必须形成富Si的二氧化铪层， Si和铪(Hf)的原子比要达到35%;只有这样在退为时才能有Si通过结晶
-〉成核->生长-〉形成纳米晶。
(3) 高温热退火，105(TC退火45分钟。温度的选择要足够高，时间 要足够长，否则无法形成量子点。Si原子的移动生长需要一定的能量，温 度足够高时能提供足够多的能量，在相当长的时间内，会富集到一起生长 成纳米晶。
图4、图5均为通过高分辨率透射电镜所观察到的结果。图4是标尺 为10nm时的透射电镜图，在图中可以看到晶格条纹，这些晶格条纹是由 于纳米晶的晶格结构对电子的衍射形成的，这是证明量子点形成的强有力 证据。图5则是标尺为50mn时的透射电镜图，在图中可以看到层状结构。 这个层状结构恰恰是由二氧化铪层中夹杂着Si量子点而形成的，这种结构 被称之为超晶格结构。将图4和图5的结果结合起来，便被称之为量子点 超晶格结构。它是第三代太阳能电池的基本材料构，是核心结构之一。这 样的结构除了国际上用反应SiO蒸发方法形成外，目前还没有其它的方法 出现。我们的所有工艺和材料均跟标准的微电子工艺相兼容，完全可以利 用成熟的微电子技术达到快速、批量、高质量的生产，为其在第三代太阳 能电池中的应用奠定了基础。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所公开的技术范围内，可轻易想 到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保 护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种基于共蒸法制备硅纳米晶超晶格结构的方法，其特征在于，包括如下步骤一、在衬底上生长二氧化硅层；二、将硅颗粒和氧化物颗粒的混合物蒸发至所述二氧化硅层上；三、将上述样品置于退火炉进行高温热退火。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，其中步骤一所述的衬 底为硅片，或为S0工衬底，或为钢片。
3、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述氧化物颗粒为二 氧化铪颗粒，或为三氧化二铝颗粒，或为一氧化硅颗粒，或为二氧化锆颗 粒，或为二氧化锰颗粒，或为二氧化钴颗粒。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片或SOI衬底 上所生长的二氧化硅为热氧化生长，所述钢片上的生长方式为等离子增强 化学气相淀积方法或者电子束蒸发二氧化硅。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸发为电子束蒸发。
6、 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述电子束蒸发 所用的颗粒直径尺寸范围为1毫米到6毫米。
7、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，其中步骤三所述的退 火为在氮气保护气氛下的高温热退火。
全文摘要
本发明是一种基于共蒸法制备硅纳米晶超晶格结构的方法。本发明的主要特征是利用电子束蒸发设备在硅衬底上制备叠层硅量子点的方法。其主要步骤包括在硅衬底上热氧化生长一层绝缘层二氧化硅；用电子束蒸发的方法将硅固体颗粒和二氧化铪固体颗粒混合物蒸发至绝缘层上；高温热退火。采用这种方法制备的量子点颗粒的大小约为3-6nm，可用于单电子器件或单电子存储器的制作，特别是用于太阳能电池的制作等。这种方法具有工艺步骤少、简单、稳定可靠、易于大规模制造、能与传统的微电子工艺兼容的优点。
文档编号C30B29/68GK101565855SQ20081010475
公开日2009年10月28日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者明 刘, 李维龙, 谢常青, 锐 贾, 晨 陈, 陈宝钦 申请人:中国科学院微电子研究所