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HWCVD法制备纳米硅薄膜及其工艺参数研究

作　者: 张庆峰
导　师: 刘世民
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: 热丝化学气相沉积纳米硅晶粒尺寸光学带隙高温氧化
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着纳米科技的发展，Si纳米材料呈现的新特性使其在光电集成领域具有巨大的应用潜力，成为近年来科研的热点。本文通过热丝化学气相沉积法（HWCVD）在玻璃基上制备非晶硅和氢化纳米硅薄膜，探讨不同工艺参数对薄膜性能的影响，并对制备的纳米硅薄膜进行高温氧化处理，探讨在玻璃软化温度以下制备SiO₂镶嵌纳米Si薄膜材料的可行性。利用热丝化学气相沉积法制备了非晶硅和氢化纳米硅薄膜，通过改变衬底温度、氢气浓度和钨丝与衬底间距离等工艺参数，结合XRD衍射分析、扫描电镜显微分析和紫外分光光度计分析等手段，探讨不同沉积条件对薄膜性能的影响。研究发现，随着氢气浓度的增大，薄膜中晶粒尺寸增大，是形成纳米硅的重要条件，但是高浓度的氢气对薄膜的沉积速率有阻碍作用，并随着氢气浓度的增加影响更为明显；在衬底温度低于300℃时，随着衬底温度的增大，薄膜中晶粒数量增多，尺寸增大；当衬底温度超过300℃时，同样对纳米硅的形成产生消极作用；随着钨丝与衬底间距的增加，同样表现出了先有利于结晶最后又对纳米硅的形成起阻碍作用的趋势。另外，通过对薄膜光学带隙的计算得知，制备的薄膜带隙大都在2eV以上。对制备的纳米硅薄膜分别进行300℃、400℃和500℃的氧化处理与分析。结果表明，随着氧化温度的升高，薄膜表面被氧化，导致其中纳米硅尺寸减小，薄膜光学带隙展宽，薄膜中晶粒尺寸和分布发生改变；通过对不同膜厚样品的对比发现，对膜厚在几百个纳米范围内的纳米硅薄膜高温处理后上述现象更为明显。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-27
  1.1 太阳能电池研究背景  10-11
  1.2 太阳能电池简介  11-15
    1.2.1 太阳能电池工作原理  11-12
    1.2.2 太阳能电池的发展历史  12-14
    1.2.3 太阳能电池发展的限制因素  14-15
  1.3 提高太阳能电池转换效率的方法  15-17
    1.3.1 多结太阳能电池  15-16
    1.3.2 量子点太阳能电池  16-17
    1.3.3 光波转换材料在太阳能电池中的应用  17
  1.4 纳米晶硅薄膜简介及其制备方法介绍  17-22
    1.4.1 纳米晶硅薄膜简介及其研究  17-20
    1.4.2 镶嵌在 SiO_2介质中的纳米晶硅理论简介及其制备  20-22
  1.5 热丝化学气相沉积法简介  22-25
    1.5.1 热丝化学气相沉积法发展背景  22
    1.5.2 热丝化学气相沉积法的基本原理  22-23
    1.5.3 热丝化学气相沉积系统简介  23-25
  1.6 本课题研究内容和意义  25-26
  1.7 本章小结  26-27
第2章热丝化学气相沉积法制备硅薄膜  27-36
  2.1 测试仪器及方法介绍  27-31
    2.1.1 X 射线衍射仪  27-28
    2.1.2 台阶仪  28
    2.1.3 紫外可见分光光度计  28-29
    2.1.4 扫描电子显微镜  29-30
    2.1.5 原子力显微镜  30
    2.1.6 方块电阻-四探针法  30-31
  2.2 HWCVD 法沉积薄膜的基本步骤  31-33
    2.2.1 热丝的选择与处理  31
    2.2.2 衬底的选择与处理  31-32
    2.2.3 实验的具体操作步骤  32-33
  2.3 不同条件下硅薄膜制备及其性能表征  33-35
    2.3.1 热丝法制备非晶硅薄膜  33-34
    2.3.2 热丝法制备纳米晶硅薄膜  34-35
  2.4 纳米晶薄膜的退火工艺研究  35
  2.5 本章小结  35-36
第3章实验结果与讨论  36-59
  3.1 热丝法制备非晶硅薄膜  36-39
    3.1.1 衬底温度对非晶硅薄膜性能的影响  36
    3.1.2 快速退火工艺对非晶硅薄膜的影响  36-39
  3.2 氢气流量对纳米硅薄膜微结构和性能的影响  39-46
    3.2.1 氢气流量对薄膜微结构的影响  39-42
    3.2.2 氢气流量对薄膜光学性能的影响  42-44
    3.2.3 氢气流量对薄膜电学性能的影响  44
    3.2.4 氢气流量对薄膜沉积速率的影响  44-46
  3.3 衬底温度对纳米硅薄膜微结构和性能的影响  46-50
    3.3.1 衬底温度对薄膜微结构的影响  46-48
    3.3.2 衬底温度对薄膜光学性能的影响  48-49
    3.3.3 衬底温度对薄膜沉积速率的影响  49-50
  3.4 热丝与衬底间距对纳米硅薄膜微结构和性能的影响  50-52
    3.4.1 热丝与衬底间距对薄膜微结构的影响  50-51
    3.4.2 热丝与衬底间距对薄膜光学性能的影响  51-52
    3.4.3 热丝与衬底间距对薄膜沉积速率的影响  52
  3.5 退火工艺对纳米硅薄膜微结构和性能的影响  52-58
    3.5.1 不同温度热处理的薄膜结晶状况分析  53-55
    3.5.2 不同温度热处理的薄膜表面形貌分析  55-56
    3.5.3 不同温度热处理的薄膜光学性能分析  56-58
  3.6 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-64
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  64-65
致谢  65-66
作者简介  66

HWCVD法制备纳米硅薄膜及其工艺参数研究

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