非晶硅薄膜光衰退稳定性的影响因素

光衰

真空科学与技术学报

Ｃ卸心陋ＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＡＣＵＵＭＳＣｍＮＣＥＡＮＤ７ＩＥＣＨＮ０１０ＧＹ

第２６卷增刊２００６年９月

氢化非晶硅薄膜光衰退稳定性的影响因素

马占洁１

陈光华１。

何斌１

刘国汉２朱秀红１宋雪梅１邓金祥１

张文理１

李志中１郜志华１

，１．北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室北京１０００２２；＼＼２．兰州大学物理科学与工程学院兰州７３００００

／

ＬｉｇｈｔＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ

Ｓｍｂｍ锣ｏｆａ－Ｓｉ：ＨＦｉｌｍｓ

Ｍａ

Ｚｈａｎｊｉｅｌ，ＣｈｅｎＧｕａｎｇｈｕａｌ，ＨｅＢｉｎｌ，ＬｉｕＧｕｏｈａｎ２，ＺｈｕＸｉｕｈｏｎ９１，ＺｈａｎｇＷｅｎｌｉｌ，

ＬｉＺｈｉｚｈｏｎ９１，ＧａｏＺｈｉｈｕａｌ，ＳｏｎｇＸｕｅｍｅｉｌａｎｄＤｅｎｇＪｉｎｘｉａｎ９１

／１．Ｔｈｅ

ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ

ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ

Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，蚍Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，＆旃昭，１０００２２，Ｃｈ／ｎａ；＼

，

、２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ死矾∞如盯，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＬｏｌｌｇｈｏｌＡ，７３００００，Ｃｈ／ｎａ

Ａｂｓｔｒａｃｔｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ

Ｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅｆｏｒ

ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒ

ｌｉｇｈｔｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａ－Ｓｉ：Ｈｆｉｌｍｓ．ｇｒｏｗｎｂｙｈｏｔｆｄａｍｅｎｔａｓｓｉｓｔｅｄｍｉｃｒｏｗａｖｅｅｌｅｃｔｒｏｎ

ａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒｉｎｆｒａｒｅｄ

ｒｅｓｏｎａｎｃｅ

ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＷＥＣＲＣＶＤ），ｗｅｒｅ

ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＦｒｆＲ）ａｎｄｌｉｇｈｔｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ

ｃｕｒｖｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｈｙｄｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔ，Ｈ－Ｓｉｂｏｎｄｉｎｇｍｏｄｅ８ａｎｄｈｙｄｒａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃｍ－，ｔｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａ－Ｓｉｍａｔｅｒｉａｌ．

ＷｅｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｉｎｌａｙｅｒｏｆＳｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍｉｃｒｏ－ｇｒａｉｎｇｒｏｗｎ

ｏｎ

ａ－Ｓｉｓｕｂｓｔｒａｔｅ

ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

ａ－Ｓｉ：Ｈ，Ｌｉｇｈｔｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，Ｈｙｄｒａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔ，Ｍｉｃｒｏｓｉｌｉｃｏｎ

摘要用热丝辅助微波电子回旋共振化学气相沉积制备样品，通过红外吸收谱图和光衰退图，分析影响ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜光衰退稳定性的因素：一方面，非晶硅网格中氢含量、氢硅键合方式以及氢的运动情况均对非晶硅材料的稳定性起着十分重要的作用，另一方面，在非晶硅的基体上生长少量微晶硅，可提高薄膜的稳定性。最终希望能通过两者的结合来探讨如何制备

高光敏性和低光致衰退的非晶硅薄膜。

关键词ａ－Ｓｉ：Ｈ光衰退稳定性氢运动微晶硅

中图分类号：０４８４．５

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２．７１２６（２００６）增．００９８—０３

氢化非晶硅薄膜作为一种新型的光伏功能材料，已被广泛地应用于大面积太阳能电池中，成为当前重要的绿色能源。但由于氢化非晶硅材料本身的光致衰退现象（ＳＷ效应）制约着它的进一步发展。到目前为止，人们已做了大量努力探讨影响氢化非晶硅稳定性的因素。虽然，光致诱导产生的亚稳态转变的微观机理仍没有完全准确地被了解，但光致诱导缺陷态的形式中非常明显地涉及到氢运动，氢的扩散改变了硅网格中键的形式；另一方面从热力学观点看，晶体材料对应于自由能最低状态，对同一材料而言，非晶态是处于比晶态的自由能更高的亚稳态…。对于氢化非晶硅而言，微晶化的氢化非晶硅是较为稳定的亚稳态形式。

本文探讨了非晶硅网格中氢含量、氢键形式和

收稿日期：２００５－０９

＊联系人：教授，博导，Ｔｅｌ：（０１０）６７３９１８７６，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｈｅｈｅｎ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

氢的运动情况及非晶硅材料微晶化对其光敏性及其光衰退稳定性的影响，最终希望能通过两者的结合，探讨如何制备高光敏性和低的光致衰退的非晶硅薄

膜。

１样品制备与测试

本实验中所用的样品均采用热丝辅助微波电子回旋共振化学气相沉积的方法制备。此方法结合了微波电子回旋共振化学气相沉积的等离子体能量转化率高、气体分解充分、激发态物种和基团浓度高及热丝化学气相沉积制备出的薄膜Ｈ含量低和稳定性高的优点，有利于制备高质量的ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜。样品的光、暗电导率及光衰退稳定性的测量装置为：①ＴＧ—Ｘ１０００太阳能光模拟器，ＦＺ．Ｘ１０００调压器：ＦＺ．

万方数据　

光衰

增刊马占洁等：氢化非晶硅薄膜光衰退稳定性的影响因素

Ｘ１０００触发器；②高精度ＫＥｌＴＨＬＥＹ６５１７型高阻仪。首先，在薄膜表面用真空镀膜法蒸镀共面铝电极，之后将样品用弹簧片压好电极后放在一个上部开有玻璃窗的屏蔽良好的不锈钢容器中，抽真空至１０－２

Ｐａ

左右后置于暗室中进行暗电导率的测试。光电导率的测试是在模拟太阳灯下进行（模拟太阳灯的功率

密度调整在５０ｒｒ—Ｗ／ｃｍ２）。光电导衰退稳定性的测

试是将上述真空装置置于模拟太阳灯下，记录光电

导率随时间的衰退变化情况。

２实验结果与分析

本实验所选样品的实验结果见表１。

表ｌ样品的光敏性及其光衰退性

Ｔａｂ．１

Ｔｈｅｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｐｈｏｔｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ

编号光敏性衰退初值（Ｒ）衰退终值（Ｒ）时间／ｍｉｎ光衰退率／％

由表１可知：模拟太阳光光照１２０ｒａｉｎ，２。样品的光衰退稳定性最好，光衰退率低于１０％，但光敏性只有５．８×１０２，在三个样品中是最低的。ｌ＃样品的光敏性达到了１０４，且光衰退率为１４．９％，此样品的光衰退率相对于３４样品的光衰退率来说有了很大的降低。表１说明ｌ８和２４样品薄膜的光衰退稳定性较好，它们的ＳＷ效应不显著。下面从氢因素和微晶化这两方面，讨论１“和２“样品薄膜的光衰

退稳定性好的原因。２．１氢因素的影响

氢含量、硅氢键的各种组态及含量严重影响着非晶硅材料的光衰退稳定性，而且硅氢键的组态也影响着非晶硅薄膜的光电导【２－５Ｊ。通过红外吸收谱可以获得Ｈ键结构：位于６４０处的摇摆模（Ｗａｇｇｉｎｇ）带，这一吸收带与所有的振动模式都有关，所以通常用这一吸收带来计算薄膜中的氢含量［６＇７Ｊ。在２０００和２０９０附近是两个振动模式，２０００的模式通常认为

是分立的ｓ卜Ｈ键模式，２０９０认为是聚合氢，ｓｉＨ２

（Ｓｉ－一－－Ｈ双键）或者是（ｓｉＨ２）。聚合体。对于氢化非晶硅的稳定性而言，高的２０９０的吸收峰值是不期望得到的，而分立的ｓ卜一Ｈ键密度对于稳态缺陷密度和稳定性机理可能起着相当重要的作用。

图１所示为ｌ。和３４样品的红外吸收谱图（ａ）和光电导随时间变化的光衰退图（ｂ）。ｌ＃样品光衰

万　

方数据退低（１４．９％），说明它的光衰稳定性好，一方面因其氢含量较大，说明光衰退稳定性与氢含量有关；另一

方面还与其分立的Ｓ卜Ｈ键、ＳｉｇＨ双键的含量

有关。从能量的角度而言，ＳｉｇＨ双键的能量要大

于分立的ｓ卜Ｈ键的能量，说明分立的ｓ卜Ｈ键

的稳定性相对于Ｓｉ－－一Ｈ双键是比较稳定的，它不易产生激发态的Ｈ，从而产生亚稳态缺陷。

图１

１。，３。样品的红外吸收谱和光衰退图

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｅ

ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒａａｎｄｔｈｅ

ｐｈｏｔｏｄｅｇｒａｔａｔｉｏｎ

ｏｆｌ

４

ａｎｄ３”ｓａｍｐｌｅｓ

另一方面，在光照下，能量转移主要是通过弱键

上多余的带尾载流子非辐射复合完成的。因为Ｈ的电负性比ｓｉ大，所以一般来说，和分立的ｓｉ＿Ｈ

相邻的Ｓ卜ｓｉ键一般都视为弱键，因此，在团聚的Ｓｉ＿Ｈ位置的Ｓ卜ｓｉ键比分立的ｓｉ—Ｈ键相邻的那些Ｓ卜ｓｉ键就会更弱，它们更容易在光照下

产生亚稳态缺陷态，致使光衰退稳定性下降。同时非晶硅薄膜中Ｓｉ：Ｈ双键含量的增加将导致载流子俘获几率的增大，从而导致光电导下降，而暗电导变大。因此对于制备氢化非晶硅薄膜而言，希望制

备的薄膜是以分立的ｓ卜Ｈ键形式为主，且相对含

量越多越好，同时Ｓｉ－一－Ｈ双键含量越少越好。

光衰

１００

真空科学与技术学报

第２６卷

２．２微晶化的影响

最近人们提出在非晶硅的网格基础上生长出微晶硅，以期将非晶硅高的优良光电特性与微晶硅的高稳定性相结合，从而制备高光敏性和低光致衰退性的非晶硅薄膜。本实验运用热丝辅助微波电子回旋共振化学气相沉积技术生长微晶薄膜，过程中产生的Ｈ离子束在低温下就能实现生长表面的晶化，实现了在非晶硅网格基础上生长出微晶硅，薄膜的晶化数量及颗粒尺寸影响着薄膜的光电特性【引。

图２所示为：２４和３４样品的红外吸收谱图（ａ）和光电导随时间变化的光衰退图（ｂ）。２禅样品与

３

４样品的红外吸收图相差不多，两者衰退相差很大

是由于２”样品已微晶化，氢化非晶硅的晶化可提高光衰退稳定性。当Ｈ原子在通过薄膜扩散时，原子

Ｈ嵌入紧密的Ｓ卜卜ｓｉ键中，形成中间键态Ｓ卜卜ｓｉ键型。当Ｈ原子从Ｓ卜Ｈ＿ｓｉ键移开

墨

薹．董

薹

厶

图２

２＊，３＊样品的红舜暧磺镥和光衰退图

Ｆｉｇ．２

Ｔｈｅ

ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒａａｎｄｔｈｅｐｈｏｔｏｄｅｇｒａｔａｔｉｏｎ

ｏｆ２”ａｎｄ３。ｓａｍｐｌｅｓ

万　

方数据后，紧密的ｓ卜ｓｉ键或断开或松弛，经历此种变化

的局部结构重整，导致此处的键长和键角都十分接近于单晶硅的结构，从而导致局部由无序向有序的转化（即由－ｊＥ晶态向晶态转化），这种转化导致了薄膜光稳定性的提高，并且文献［９］介绍在光照条件下，晶化边缘处的非晶硅层比较稳定，因此在非晶硅衬底上沉积形成少量的微晶硅可以提高薄膜的稳定性。但晶化结果导致了氢化非晶硅薄膜光敏性在一定程度上的降低（２。样品光敏性只有５．８×１０２）。３结论

通过红外吸收谱图和光衰退图，分析了影响ａ—ｓｉ：Ｈ薄膜光衰退稳定性的因素：一方面，非晶硅网格中氢含量、氢键合方式以及氢的运动情况均对非晶硅材料的稳定性起着十分重要的作用。在一定氢

含量下，希望样品以ｓ卜Ｈ单键形式为主，且相对

含量越多越好。另一方面，在非晶硅的基体上生长

少量微晶硅，晶化导致了局部的由无序向有序的转

化，并且晶化边缘处的非晶硅层比较稳定，它们均提高薄膜的稳定性。

参考文献

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８

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２００４３６１～３６３

光衰

氢化非晶硅薄膜光衰退稳定性的影响因素

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

Ma Zhanjie， 马占洁， 陈光华， 何斌， 刘国汉， 朱秀红， 张文理， 李志中， 郜志华， 宋雪梅， 邓金祥

真空科学与技术学报

CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY2006，26(z1)0次

参考文献(9条)

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相似文献(1条)

1.学位论文 朱秀红 高质量硅基薄膜的制备及其性能研究 2006

氢化非晶硅薄膜(a-Si：H)以其优异的光电特性，在薄膜太阳能电池、薄膜晶体管、大面积平面显示器以及光传感器等技术领域中起着日益重要的作用，是一种在信息科学和能源科学的微电子技术中有着广泛应用的新型功能材料。但因为材料本身所存在的光致诱导衰退效应(Staebler-Wronskieffect)限制了它的进一步发展。本论文在对a-Si：H薄膜的制备工艺及方法进行深入研究探讨之后，提出了采用两相结构的氢化微晶硅薄膜(μc-Si：H)来提高薄膜稳定性的方法。具体从以下几方面开展了研究工作： 针对采用原有微波电子回旋共振化学气相沉积(MWECR-CVD)系统制备的薄膜氢含量较高、稳定性较差等问题，提出了热丝辅助的微波电子回旋共振化学气相沉积(HWAMWECR-CVD)方法。分别研究了热丝系统对a-Si：H薄膜及μc-Si：H薄膜微结构及性能的影响。实验结果表明：对于制备a-Si：H薄膜，热丝对衬底的辅助加热及热辐射使薄膜的氢含量显著降低，薄膜的稳定性明显提高，当热丝温度为1450℃，衬底温度为160℃时，得到了光敏性及光照稳定性都较好的高质量非晶硅薄膜；对于制备μc-Si：H薄膜，在热丝系统的辅助作用下，即使在较低的氢稀释比条件下也可以制备出晶化比及稳定性都较高的微晶硅薄膜。 系统研究了采用HWAMWECR-CVD方法制备a-Si：H薄膜时，衬底温度、反应气压、微波功率以及热丝温度等工艺参数对所制备薄膜的微结构及性能的影响。实验结果表明：为了高速制备高质量的a-Si：H薄膜，衬底温度、反应气压、微波功率以及热丝温度分别取160～200℃、2Pa、400～500W和1350～1450℃为宜。 对位于同一量级的高光敏性薄膜的微结构进行了分析研究，提出了薄膜的光敏性与氢含量和氢硅键合方式没有直接联系，而对于稳定性却至关重要的观点。并且在制备工艺方面，较高的衬底温度和氢稀释比以及较低的沉积速率对于提高薄膜的微结构及稳定性都起着重要的作用，并采用氢溢出模型对结果进行了解释。 通过研究不同衬底温度及不同氢稀释比条件下制备的样品的微结构及晶化比，发现当采用低温制备(160～200℃)μc-Si：H薄膜时，氢稀释比对晶化的影响较衬底温度更为重要。进一步地，在保持其它工艺参数均不变的情况下，采用高氢稀释法制备了系列微晶硅薄膜。分析了它们的微结构、晶化比、

μτ乘积以及光电特性等随氢稀释比的变化情况。实验结构表明：当氢稀释比为～94％时，制备的微晶硅薄膜不仅具有较高的光敏性～104，而且光照稳定性也较好，为8.7％，小于10％。 针对微晶硅薄膜吸收系数较低、制备需要较高厚度，从而需要较高沉积速度的问题，考虑到压强对沉积速度及晶化比的重要影响，在分析了压强对沉积速度、薄膜晶化比以及致密度等方面影响的基础上，提出了采用两步压强法来制备高质量微晶硅薄膜的方法。结果表明：采用这种方法对于提高薄膜的致密度、减小氧含量进而改善薄膜的微结构都是有利的。实验制备出了光敏性较高(～103)，晶化比较大

(61％)且光衰退稳定性也较好(5.6％)的优质氢化微晶硅薄膜。 在对a-Si：H薄膜的S-W效应的产生、Si-H键的结构特性及结合能、以及S-W效应抑制方法等进行探讨的情况下，采用分子动力学模拟(moleculardynamicssimulations)的方法，模拟了在高氢的氛围下a-Si：H薄膜中H碰撞时所发生的化学反应及输运特性，从而揭示了非晶转微晶的变化过程。 利用数值模拟的方法对薄膜光电导随光照时间的变化进行了拟合，揭示了各种不同缺陷态在光照过程中的产生和变化。并且发现：对于一定条件下制备的样品，其光电导总的衰退量和初始时刻的光电导具有一一对应的关系。即：样品初始时刻的光电导直接决定了样品在光照过程中光电导总的衰退量。

本文链接：/Periodical_zkkx2006z1025.aspx

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