非晶硅薄膜研究进展
非晶硅薄膜及其制备方法研究进展
摘要：氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜在薄膜太阳能电池、薄膜晶体管、辐射探测和液晶显示等领域有着重要的应用，因而在世界范围内得到了广泛的关注和大量的研究。本文主要介绍了a-Si:H薄膜的主要掺杂类型和a-Si:H薄膜的主要制备方法。
关键词：非晶硅薄膜；掺杂；制备方法；研究进展
Research Progress on a-Si:H Thin Films and Related Preparation
Method
Abstract:Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film has attracted considerable attention and been a subject of extensive studies worldwide on account of its important applications such as thin film solar cells, thin film transistors, radiation detectors, and liquid crystal displays based on its good electrical and optical properties. In this paper, the progress research on a-Si:H thin films and related preparation method are reviewed.
Key words: a-Si:H thin films; doped; preparation method; research progress
1 引言
氢化非晶硅(a-Si:H)是硅和氢的一种合金，网络中Si-H键角和键长的各种分布打乱了晶体硅晶格的长程有序性，从而使非晶硅具有独特的光电性质。本征a-Si:H薄膜中，一般含有8% ~12%（原子分数）的氢，本征的a-Si材料的带隙宽度Eg约为1.7eV[1-3]。
1976年，美国RCA实验室Carlson和Wronski首次报道了非晶硅薄膜太阳电池[4]，引起普遍关注，全世界开始了非晶硅电池的研制热潮。一般在太阳能光谱可见光波长范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大将近一个数量级，其本征吸收系数高达105cm-1。而且非晶硅太阳能电池的光谱响应的峰值与太阳能光谱峰值接近，这就是非晶硅材料首先被用于太阳能电池的原因。首先非晶硅材料高的吸收系数，非晶硅吸收层的厚度可以小于1μm就可以充分的吸收太阳能，这个厚度不及单晶硅电池厚度的1%，可以明显的节省昂贵的半导体材料；其次硅基薄膜电池采用低温沉积工艺技术（200℃左右），这不仅可节能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉价衬底；最后硅基薄膜采用气体的辉光放电分解沉积而成，通过改变反应气体组分可方便地生长各种硅基薄膜材料，实现pin和各种叠层结构的电池，节省了
许多工序，非晶硅薄膜的这些优点都很大程度上促进了非晶硅太阳能电池的开发与研究[5-7]。
但是，非晶硅材料自身存在一些问题，由于薄膜内部存在大量的缺陷态(主要是悬挂键)，
非晶硅材料在实际应用上受到了限制，与晶体硅太阳能电池相比，无论是材料理论、器件研究、工艺水平仍处于研究积累阶段，许多性质还有待于深入认识。非晶硅薄膜太阳能电池最大的缺点是电池的转换效率较低，商业化生产的产品通常只有6~8%；另一方面，非晶硅薄膜太阳能电池性能不够稳定，a-Si:H薄膜存在可逆光致结构变化（Staebler-Wronski效应[8]），即a-Si:H薄膜在强光（通常是一个标准太阳的光强，100mW/cm2）下照射数小时，光电导逐渐下降，光照后暗电导可下降几个数量级并保持相对稳定；而另一方面光照的样品在150~200℃温度区间内退火两个小时，光、暗电导可恢复原值。
2 非晶硅薄膜的发展
近年来，随着太阳能电池的不断发展，对于非晶硅薄膜的应用研究也越来越深入。非晶硅的晶化研究、纳米非晶硅研究、掺杂碳或锗非晶硅研究等都是非晶硅薄膜研究的热门领域。
2.1纳米非晶硅薄膜na-Si:H
纳米非晶硅实际上是一种两相结构材料，即少量纳米尺度的结晶硅颗粒镶嵌于非晶硅网络母体中。由于量子限制效应使得这种两相结构材料具有类似于纳米晶硅的导电性和光致发光特性[9]，同时由于非晶相的存在又使得这种材料又具有较好的光敏性，因而在提高光照稳定性的情况下，还能获得较好的光伏特性。
1999年Sukti Hazra和Swati Ray[10,11]报道了用纳米非晶硅(na-Si:H)作pin结构太阳电池的本征层，制备出了V oc为0.93V，E ff为8.7%的太阳电池。C.R.Wronski与R.W.Collins[12,13]研究发现，非晶硅薄膜的晶体结构极大地依赖于PECVD制备参数，尤其是氢气稀释比R(R=H2/SiH4)，并制备出稳定转化率为9~10%的单节纳米非晶硅薄膜太阳电池。在高氢气稀释比条件下，由于大量活性H原子碰撞和轰击作用，使得原本无序的非晶硅网络更加松弛，在非晶硅网络中形成少量的微晶硅形核区域，沉积的非晶硅薄膜比较厚则逐渐转为化微晶硅薄膜，即所说的纳米非晶硅薄膜。
然而国内的纳米非晶硅薄膜电池应用还处于研究阶段，国内中国科学院半导体研究所的胡志华[14]等人对纳米非晶硅结构做过相关的研究和报道，并用作pin结构太阳电池的本征吸
收层，最终得到光电转化效率E ff为8.35%(AM1.5，100mW/cm2)。浙江大学冯仁华等人[15]将首先采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)，以SiH4和H2为前驱体，制备了具有两相复合结构的本征的na-Si:H薄膜。上海交通大学的于化丛等人[16]运用PECVD 方法成功制备了渐变光学带隙氢化纳米硅薄膜p-i-n 太阳电池,光电转换效率达11.43%(有效面积：75.4mm2)和9.82% (有效面积：121.2mm2)（标准测试条件STC：AM1.5,1000W/m2,25℃）。
2.2非晶碳化硅薄膜a-SiC:H
氢化非晶碳化硅(a-SiC:H)是一种宽带隙非晶态半导体材料。a-SiC:H的构成元素比可以偏离SiC晶态的化学配比。随着化学元素比的变化，a-SiC:H的物理性质相应变化，其光学带隙(Eg)也可随之连续变化，这使得a-SiC:H具有广阔的实际应用前景，近年来这方面已经有大量文献报道[17-19]。
a-SiC:H薄膜的光学带隙可以通过组分调制。随着薄膜中C含量的增加，a-SiC:H带隙可以从 1.8eV连续拓展到 3.0eV，能带宽度正好覆盖了可见光的光谱范围。a-SiC:H薄膜PECVD制备方法简单，成本较低，与硅平面工艺兼容，便于发光器件和驱动器件集成，使
a-SiC:H薄膜材料可以应用于光电子、光纤通讯等硅基发光器件。此外a-SiC:H薄膜可以大面积制备，薄膜的均匀性较好，且具有良好的光学、热学、力学和电学性质。
1977年，Anderson等人[20]首次报道了利用PECVD制备a-SiC:H薄膜，之后很多研究小组对该薄膜材料的制备方法、特性及应用作了大量研究。薄膜电池的窗口材料要求其光学带隙宽、电导率高，以增强光的透过率，增加内建电势和减小串联电阻。而a-SiC:H薄膜正好满足以上要求，近年来常被用做硅太阳能电池的窗口材料[21]。利用非晶硅碳薄膜优良的电致发光特性制作的非晶硅碳薄膜发光二极管(a-SiC:H TFLED)[22]。利用其宽带隙特点，制作的光电探测器对红外辐射无响应，能应用于红外背景下紫外光的探测[23]。
目前，对a-SiC:H薄膜的研究取得了很大进展，但仍有一些问题尚待解决。例如，Si 衬底和薄膜间的晶格失配，造成缺陷密度较大；a-SiC:H薄膜的生长和成核机制缺少系统的研究，难以对其膜层质量进行有效控制；a-SiC:H薄膜的晶格结构无序且含有氢，导致制备的器件性能不稳定，引起发光二极管发光效率下降和太阳能电池的转换效率降低等。
2.3非晶硅锗薄膜a-SiGe:H
锗是一种带隙在0.66eV的窄带隙半导体材料，它独自成膜很困难，所以在太阳电池方面很少应用。但是它与硅构成的薄膜合金材料，却有着大幅度向窄带隙方向调制的作用。Si、Ge及其Si1-x Ge x合金材料均为金刚石晶体结构，室温下Si、Ge 的晶格常数分别为0.5431nm、0.5658nm，相差 4.2%。由于Si、Ge 性质的相近，它们可以形成无限固溶体Si1-x Ge x合金，组分x可以在0-1 之间取任意值[24,25]。
硅锗材料具有比硅材料更好的优势：第一吸收效率高，因为锗的吸收系数比硅要高1-2个数量级；第二吸收光谱的范围广[26]，更加充分地利用太阳光谱[27]，通过改变Si1-x Ge x合金中锗的含量x，可使Si1-x Ge x合金的禁带宽度在0.67-1.75eV 范围内之间调节，由于非晶硅的带隙宽度约为1.12~1.75eV，如果把非晶硅与非晶硅锗合金结合在一起，可以实现禁带宽
度在变化，从而制备出具有高转换效率的太阳能电池材料。
现阶段在太阳能电池领域硅锗材料的研究主要集中在非晶硅锗材料。硅锗材料在太阳能电池中的应用研究已经受到了许多研究单位的重视，尤其是非晶硅锗材料在非晶硅/非晶硅锗叠层太阳能电池上的应用已经非常成熟，美国的Toledo大学研制的此种太阳能电池效率已
达12.9％[28]。美国的uni-solar公司在2008年制备的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H电池的初始转换效率达到了15.4%[29]。
deposition然而研究中发现，随着薄膜中Ge含量的逐渐增加，硅锗薄膜材料带隙变窄，晶格的失配导致缺陷态密度的增加，使得微晶硅锗薄膜的光电特性恶化，导致PN结的反向饱和电流增大，开路电压降低。影响了硅锗薄膜电池效率的提高[30,31]。
3 a-Si:H薄膜制备方法
氢化非晶硅薄膜的成分、结构及性能会受到很多因素的影响，特别是在制备过程中与制备技术和工艺参数密不可分。从某种程度上来说，使用何种方法和沉积工艺制备氢化非晶硅薄膜，决定了薄膜的最终结构和性能。当前，制备氢化非晶硅薄膜的主要方法有：物理气相沉积法（PVD），化学气相沉积法（CVD）。而其中PVD法基本上指溅射法，CVD法有热丝化学气相沉积法（HW-CVD）、微波等离子电子回旋共振化学气相沉积法（MWECR-CVD）、等离子增强化学气相沉积法（PECVD）等。

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