H2稀釋比對(duì)RF-PECVD制備a-Si:H/nc-Si:H薄膜的光電特性的影響

程自亮，蔣向東，王繼岷，劉韋穎，連雪艷

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

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H2稀釋比對(duì)RF-PECVD制備a-Si:H/nc-Si:H薄膜的光電特性的影響

程自亮，蔣向東*，王繼岷，劉韋穎，連雪艷

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

摘要:研究了H2稀釋比對(duì)a-Si:H/nc-Si:H薄膜光電特性及微結(jié)構(gòu)的影響。采用RF-PECVD法，以高純SiH4及H2/SiH4混合氣體為反應(yīng)氣源交替反應(yīng)制備樣品，并通過紫外－可見光分光光度計(jì)、橢偏儀及Keithley 4200、XRD對(duì)樣品進(jìn)行分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明:在納米級(jí)厚度的a-Si:H薄膜基礎(chǔ)上，隨著第二反應(yīng)氣H2/SiH4混合氣中H2比率(99%、97%、95%、92%、80%)的升高，沉積速率持續(xù)下降，薄膜消光系數(shù)、禁帶寬度以及電導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合薄膜生長(zhǎng)機(jī)理對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果原因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:a-Si:H/nc-Si:H;氫稀釋; RF-PECVD(射頻等離子體化學(xué)氣相沉積);光電性能;生長(zhǎng)機(jī)理

自1976年RCA公司實(shí)驗(yàn)室的Carlson D和Wronski C利用PECVD法制備出第一塊非晶硅薄膜電池以來(lái)［1］，氫化非晶硅(a-Si:H)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管及微傳感器等器件的研制中。非晶硅薄膜具有較強(qiáng)的光吸收能力、制備工藝簡(jiǎn)單、與硅半導(dǎo)體工藝兼容、成本低等優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)在于薄膜中存在大量的缺陷態(tài)，以致于會(huì)形成所謂的光致衰退效應(yīng)［2］。研究表明，在PECVD法制備非晶硅薄膜的成膜過程中，通入一定量的H2氣，在輝光作用下產(chǎn)生的H原子可以進(jìn)入非晶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部彌補(bǔ)懸掛鍵等缺陷［3］，同時(shí)，H等離子體能夠打斷弱Si-Si鍵使之再結(jié)合［4］，從而改善非晶硅薄膜性能。

氫化納米硅(nc-Si:H)作為器件光敏層或有源層的缺點(diǎn)在于制備成膜速率通常特別低，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)十分不利，在單晶硅片或石英玻璃上以提高沉積溫度的方法可以提高成膜速率［5］，但成本隨之上升。本文實(shí)驗(yàn)采用RF-PECVD技術(shù)，在ITO基底上以高純硅烷及硅烷氫氣混合氣體為氣源交替沉積非晶硅和納米硅薄膜，并通過改變用于沉積納米硅薄膜的H2/SiH4混合氣體的比例，研究H2稀釋比對(duì)薄膜的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用頻率為13.56 MHz的RF-PECVD設(shè)備，以高純SiH4(純度＞99.999%)以及H2/SiH4按比例混合的氣體為反應(yīng)氣源，在K9玻離襯底上制備了a-Si:H/nc-Si:H薄膜。工藝參數(shù)為電極間距為22 mm，本底真空度小于6.0×10－4Pa，反應(yīng)壓強(qiáng)為80 Pa，功率密度為100 mW/cm2，襯底溫度為250℃，氣體溫度為160℃，氣體總流量為80 sccm，反應(yīng)方式為:高純硅烷混合氣高純硅烷混合氣交替反應(yīng)，以高純硅烷為第一反應(yīng)氣制備非晶硅的時(shí)間為0.5 min。以H2/SiH4為第二反應(yīng)氣源制備納米硅的具體參數(shù)如表1所示，其中反應(yīng)時(shí)間括號(hào)外為混合氣體每次的反應(yīng)時(shí)間，括號(hào)內(nèi)為總反應(yīng)時(shí)間。

表1　H2/SiH4混合氣體制備納米硅實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了進(jìn)行薄膜電導(dǎo)率測(cè)試，制備出的樣品，進(jìn)一步通過電子束蒸鍍的方式在非晶硅表面鍍上Al電極，形成歐姆接觸，電極長(zhǎng)寬分別為10 mm和5 mm，電極間距為0.5 mm。

本文實(shí)驗(yàn)使用英國(guó)BeDe D1多功能X射線衍射儀對(duì)樣品薄膜進(jìn)行XRD圖譜分析，德國(guó)紅外－可見光－近紅外光譜橢偏儀SENTECH SE850測(cè)量薄膜厚度、消光系數(shù)k、折射率;日本島津UV－1700紫外－可見光分光光度計(jì)測(cè)試薄膜透射光譜，分析薄膜禁帶寬度; Keithley 4200半導(dǎo)體性能測(cè)試儀分析薄膜電導(dǎo)率。

2　結(jié)果與討論

2.1沉積速率和XRD分析

圖1　沉積速率隨H2稀釋比的變化曲線

圖1為不同H2稀釋比下制備a-Si: H/nc-Si: H薄膜沉積速率變化趨勢(shì)圖。薄膜的生長(zhǎng)和成膜結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散到襯底表面的SiH、SiH2、SiH3、…、SiHn等活性基團(tuán)濃度及遷移速率有關(guān)，當(dāng)表面活性基團(tuán)的濃度較高、遷移速率較大時(shí)，成膜速率較高、致密性較好［6］。實(shí)驗(yàn)過程中，起初的0.5 min高純SiH4反應(yīng)為后續(xù)提供活性基團(tuán)。氫稀釋比很高時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)大量的氫等離子體轟擊非晶硅表面，產(chǎn)生刻蝕效應(yīng)［7］，使原來(lái)沉積在襯底表面活性基團(tuán)內(nèi)鍵能較弱的Si-Si鍵、Si-H鍵斷開，同時(shí)，由于硅烷濃度很低，后續(xù)活性基團(tuán)的形成量很少，兩方面作用，使薄膜沉積速率很低。但由于刻蝕效應(yīng)的作用，襯底表面將留下更有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的強(qiáng)Si-Si鍵，使薄膜晶化程度加大。隨著氫稀釋比的降低，活性基團(tuán)濃度不斷增大，氫等離子體刻蝕作用減弱，沉積速率不斷增大。

圖2為不同H2稀釋比混合氣體下薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出H2稀釋比為99%、95%時(shí)，在28.4°衍射角中心位置處出現(xiàn)了代表晶態(tài)硅的(111)衍射峰，當(dāng)H2稀釋比達(dá)到80%時(shí)，衍射峰基本消失。

圖2　不同H2稀釋比下的XRD圖譜

研究表明［8］，非晶硅成膜過程中，氫等離子體對(duì)薄膜表面具有刻蝕，當(dāng)H2比例很高時(shí)，大量的氫等離子體可以打斷弱Si-Si鍵，減小薄膜中缺陷態(tài)密度，阻礙無(wú)序網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)，促進(jìn)硅原子重新排列，同時(shí)成鍵氫可補(bǔ)償薄膜中的懸掛鍵，增強(qiáng)硅原子遷移能力，這兩方面作用使得硅原子在排列成膜的弛豫過程中逐漸向有序化方向進(jìn)行［9］。根據(jù)Layer by Layer納米硅制備方法理論［10］，非晶硅薄膜在高H等離子體環(huán)境中，在幾納米厚度的范圍內(nèi)會(huì)受到刻蝕，而導(dǎo)致表面原子重新排列，并趨于有序。H2比例較低時(shí)，H等離子體含量不足以對(duì)薄膜形成有效的刻蝕作用，薄膜不再出現(xiàn)晶化現(xiàn)象。

2.2光學(xué)性能分析

不同H2稀釋比系列樣品的紫外－可見光分光光度計(jì)透射光譜如圖3所示。由圖可以看出，不同H2稀釋比參數(shù)薄膜對(duì)550 nm～700 nm內(nèi)的可見光有較強(qiáng)吸收，干涉振蕩峰出現(xiàn)在紅光及紅外波段，550 nm處，干涉峰開始消失，電子躍遷狀態(tài)由帶內(nèi)躍遷向帶間躍遷轉(zhuǎn)移?？梢钥闯觯S著H2稀釋比的增大，吸收帶邊出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，因?yàn)椋∧ぶ袘覓戽I的未成鍵電子位置被進(jìn)入其中的氫原子填充，減少了缺陷態(tài)密度，降低了由于結(jié)構(gòu)缺陷而產(chǎn)生的入射光子的吸收，因此入射光透過率增大［11］。藍(lán)移現(xiàn)象還表明隨著硅烷濃度降低，所沉積的薄膜禁帶寬度要有所展寬。

圖3　透過率隨H2稀釋比的變化曲線

為進(jìn)一步深入研究，利用紫外－可見光分光度計(jì)測(cè)得的透射光譜擬合得到光學(xué)禁帶寬度。根據(jù)帶隙計(jì)算公式［12］:

hν為入射光子能量;α為相應(yīng)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)，氫化非晶/納米硅為間接帶隙材料，故n取2，結(jié)合Tauc作圖法［13］繪制樣品光學(xué)禁帶寬如圖4所示。

光學(xué)禁帶寬度從一方面反應(yīng)了薄膜對(duì)光的利用率，對(duì)用于太陽(yáng)能電池窗口層、有源層和傳感器的敏感層的薄膜來(lái)說，不同的禁帶寬度直接決定了器件的性能優(yōu)劣。

圖4中，H2稀釋比分別為99%、97%、95%、92% 和80%時(shí)的禁帶寬度分別為1.77 eV、1.80 eV、1.83 eV、1.76 eV和1.71 eV?？梢姡?dāng)H2稀釋比小于等于95%時(shí)，薄膜禁帶寬度均大于1.77 eV，超過非晶硅薄膜的1.7 eV［14］。H2稀釋比為80%和92%兩個(gè)位置的禁帶寬度雖然比前三者要小，但也分別達(dá)到了1.71 eV和1.76 eV。推測(cè)由于在非晶硅薄膜中形成了納米尺寸硅短程有序結(jié)構(gòu)，其量子限制效應(yīng)造成了帶隙的展寬。如圖4所示，當(dāng)H2稀稀比大于等于95%時(shí)，禁帶寬度隨稀釋比增大而減小，推測(cè)是因?yàn)檫^多的氫等離子體由于不能及時(shí)抽出系統(tǒng)，氫原子之間碰撞頻率急劇加大，具有很高能量的氫等離子體含量加大，對(duì)薄膜形成過刻蝕，導(dǎo)致Si-H鍵減少，禁帶寬度下降。H2稀釋比小于95%之后，禁帶寬度隨稀釋比下降而迅速減小，因?yàn)榇藭r(shí)氫含量過少，反應(yīng)過程中作為缺陷態(tài)懸掛鍵的重配位原子的氫原子含量過少，氫原子的填充作用不明顯，另外，由于氫原子刻蝕作用減弱，薄膜定域態(tài)降低，缺陷態(tài)增加，禁帶寬度減小。

圖4　禁帶寬度隨H2稀釋比的變化曲線

圖5為樣品薄膜的消光系數(shù)k隨H2稀釋比的變化曲線，消光系數(shù)k從另一方面反應(yīng)了薄膜對(duì)光的吸收和禁帶寬度。本文實(shí)驗(yàn)利用橢偏儀對(duì)制備的樣品進(jìn)行消光系數(shù)k的測(cè)量，從圖5中可以看出，H2稀釋比為95%和97%時(shí)，消光系數(shù)明顯較小，消光系數(shù)的整體變化趨勢(shì)與透過率及禁帶寬度變化符合較好;在長(zhǎng)波段，只有80% H2稀釋比下有少量的光吸收，符合非晶硅消光系數(shù)k規(guī)律。

圖5　消光系數(shù)k隨H2稀釋比的變化曲線

2.3電導(dǎo)率分析

實(shí)驗(yàn)通過Keithley 4200半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)量薄膜電阻數(shù)據(jù)。電導(dǎo)率由以下公式計(jì)算得到:

式中:d為薄膜厚度，L為電極間距，h為電極長(zhǎng)度，R為所測(cè)得的電阻數(shù)據(jù)。

圖6　電導(dǎo)率隨H2稀釋比的變化曲線

圖6中可以看出，隨著H2稀釋比的升高，電導(dǎo)率先增大再略微減小。H2稀釋比較小時(shí)(＜92%)沉積得到的薄膜σ＜10－8Ω－1·cm－1，導(dǎo)電性較差，具有典型的本征a-Si:H薄膜導(dǎo)電特性。隨著H2稀釋比升高，電導(dǎo)率以指數(shù)形式上升到10－5Ω－2·cm－2，從前面的分析可知，H2稀釋比大于95%時(shí)，薄膜結(jié)晶程度變高，從a-Si:H轉(zhuǎn)化為nc-Si:H。

薄膜的電學(xué)特性可從兩方面解釋，薄膜中有序結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)電通道對(duì)電子的輸運(yùn)以及電子穿過異質(zhì)結(jié)界面勢(shì)壘的量子隧穿效應(yīng)，而薄膜中的缺陷態(tài)密度直接影響電子的輸運(yùn)和隧穿過程，對(duì)于非晶硅，薄膜中不僅存在Si懸掛鍵，還含有較多的微孔和空位等局域態(tài)，電子的輸運(yùn)和隧穿除了要經(jīng)過這些局域態(tài);對(duì)于nc-Si:H，由于H等離子體的刻蝕與補(bǔ)償作用，薄膜中的局域態(tài)密度較小，電子主要是穿過非晶和晶態(tài)的異質(zhì)結(jié)界面所需能量較小，因此對(duì)于nc-Si:H，它的導(dǎo)電性比a-Si:H要好［15］。至于，當(dāng)H2稀釋比過高時(shí)，電導(dǎo)率又有所下降，推測(cè)可能是由于H的過刻蝕，導(dǎo)致缺陷態(tài)密度增大，電子在晶粒間的散射作用增大，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。

3　結(jié)論

本文利用RF-PECVD技術(shù)以高純硅烷及氫氣硅烷混合氣為氣源，采用交替反應(yīng)方式制備了一系列a-Si:H/nc-Si:H薄膜，分析討論了H2稀釋比對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。得出以下主要結(jié)論:

(1)隨著H2稀釋比的增大，成膜速率持續(xù)下降。

(2)增大H2稀釋比可使薄膜內(nèi)Si原子的排列逐漸朝有序方向發(fā)展。

(3)薄膜禁帶寬度并不是一味的隨H2稀釋比增大而增大，變化是先增大后減小，并在5%附近時(shí)達(dá)到最大。

(4)薄膜電導(dǎo)率隨H2稀釋比的增大，呈現(xiàn)先緩慢增大，當(dāng)稀釋比大于95%時(shí)，電導(dǎo)率相對(duì)稀釋比呈指數(shù)級(jí)上升，但當(dāng)稀釋比大于97%時(shí)，電導(dǎo)率又有小幅下降。

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程自亮(1988－)，男，漢族，安徽省六安市人，在讀碩士，主要從事光敏材料與器件的研究，cheng_ziliang@ 163.com;

蔣向東(1964－)，男，漢族，博士，電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院副教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣δ懿牧霞捌骷难芯康龋瑇djiang@ 163.com。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61006044，60776051，61006059);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4142007，4143059);北京市優(yōu)秀跨世紀(jì)人才基金項(xiàng)目(67002013200301)

A Novel Fully Differential Active Inductor with Concurrently High Q Value High Inductance Value and High Linearity*

DENG Qiangwei，ZHANG Wanrong*，JIN Dongyue，XIE Hongyun，WANG Zhongjun，LIU Peng，CHEN Penghui，WANG Xiao，ZHANG Lianghao
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract:A novel fully differential Cascode active inductor with concurrently high Q value，high inductance value and high linearity is presented.The novel DAI features a combination of a Cascode topology，resistive feedback network and feed-forward current source(FFCS) technique.Based on TSMC 0.18 μm CMOS process，the novel DAI is verified by Agilent’s Advanced Design System(ADS)，and layout of novel DAI is completed by Cadence Virtuoso.The results show that Q and inductance value of the new DAI can be tuned by changing the applied bias voltage，the Q reaches the maximum value 2 653 at 1.2 GHz，and the inductance value is up to 15.563 nH simultaneously，meanwhile the linearity of inductance is improved by 11.3 dBV compared with traditional DAI without FFCS.

Key words:active inductor; the linearity of inductance; Cascode topology; resistor feedback network; feed-forward current source

中圖分類號(hào):TB742; O756

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0485－04

收稿日期:2014－07－25修改日期:2014－08－30

doi:EEACC:211010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.004