论文题目: 高速沉积大面积均匀氢化非晶硅薄膜及其优异的光电特性的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料物理与化学
作者: 胡跃辉
导师: 陈光华
关键词: 氢化非晶硅薄膜,沉积系统,光电特性
文献来源: 北京工业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文以高速制备兼具优异光电特性和高稳定性的氢化非晶硅薄膜为主要研究内容,从设备改进和性能分析、薄膜制备工艺两方面展开自己的研究工作。由于单磁场线圈微波电子回旋共振化学气相沉积（MWECR CVD）系统设备相对简单,对微波吸收效率不高。为了提高系统的性能,我们对其微波窗口、耦合波导、磁场分布等都进行了精心的设计。实验中,选择多层不同介电常数的绝缘板组成微波输入窗,来达到阻抗匹配和抑制功率反射,增加微波吸收功率和提高等离子密度的目的,采用Al2O3陶瓷和BN 组成的微波输入窗。这种设计,一方面能很好地保护微波系统,另一方面又能使微波高效地馈入,效率高;同时采用三角形均铜片的耦合矩形波导的设计,使微波转换功率达92%;磁场分布的设计上,通过改变磁场线圈电流来实现,当磁场线圈电流减小时,ECR 区位置朝微波窗口方向移动,将更有利于提高微波的吸收。采用磁场电流为115.2A 产生的磁场分布,可以使微波的功率吸收在1 分钟内达到92.3%,18 分钟内达到94.6%。在沉积室的磁场分布的改变,还可以通过在衬低下面放置永磁体的方法来获得,采用这种方法,在沉积室内可以得到由原先的发散的磁场分布改变为一种先发散再收敛的磁场分布。这些研究工作对同类沉积系统提供了有益的技术参考。由于磁场梯度对制备氢化非晶硅薄膜有直接的影响,而磁场分布的定量研究至今还未见有文献报道。本文用Lorentzian 拟合方法定量地得到了三种形貌磁场的磁场梯度值。通过研究发现:在衬底附近,磁场线圈电流137.7A 并在加热台下面放置钐钴永磁体的磁场分布的磁场梯度最大,其次为磁场线圈电流137.7A磁场分布,磁场梯度最小的为磁场线圈电流115.2A 磁场分布的情况;同时,磁场梯度对薄膜沉积速率有很大的影响,磁场梯度大,沉积速率大,在磁场线圈电流为137.7A 并加放永磁体的方法产生的磁场分布下,得到最高沉积速率约为17埃每秒;磁场梯度对薄膜的均匀性有一定的影响,在磁场梯度大的条件下沉积的样品其均匀性要差;同时,磁场梯度对a-Si:H 薄膜的光电特性影响较大,在温度不太高时,磁场梯度大,制备的a-Si:H 薄膜光敏性较好。这种用Lorentzian 拟合定量地得到形貌磁场的磁场梯度值的方法,对所有的同类个体系统都适用。用Maley 和Langford 等人发展的红外透射谱分析技术计算H 含量,能较好地消除误差。但是在计算单磁场线圈MWECR CVD 系统沉积的氢化非晶硅薄膜时,还发现有较大的偏差。为此,本文对这一技术在计算氢含量时产生的误差进行了研究,结果表明, 在结构因子F 值较小的情况下, 薄膜折射率接近3.4 或薄膜厚度值d=0.710.89 μm 时,计算得到的氢含量是可靠的。为了计算得到可靠的氢含量值, 实验时, 应将样品厚度沉积为0.7100.89 μm 之间,这一工作为用红外透射谱准确地得到氢含提供了方法和理论上的指导。另外,本文首次提出用红外透射谱分析技术分析薄膜结构均匀性。在大面积内达到薄膜的均匀性研究方面,我们通过改进矩形耦合波导和热丝辅助及减小磁场线圈电流的方法,用HW-MWECR CVD 系统,在直径为6cm 的衬底上,沉积得到了厚度均匀性<3.5%的a-Si:H 薄膜。认为对于单磁场线圈
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 同类研究工作国内外研究现状分析
1.2.1 氢化非晶硅薄膜制备技术的研究现状
1.2.2 微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术研究现状
1.2.3 单磁场线圈 MWECR CVD 沉积a-Si:H 薄膜研究现状及存在的问题
1.2.4 氢化非晶硅薄膜光电特性的研究
1.2.5 大面积均匀氢化非晶硅薄膜制备的研究
1.3 相关测试手段和方法的研究
1.3.1 红外分析技术的应用和研究
1.3.2 紫外测试技术及应用研究
1.3.3 拉曼测试技术及应用研究
1.3.4 暗电导激活能测试原理
1.4 课题来源及研究内容
1.5 本文结构
第2章 单磁场线圈 MWECR CVD 系统磁场梯度对沉积氢化非晶硅薄膜的影响
2.1 引言
2.2 单磁场线圈 MWECR CVD 沉积系统结构
2.3 单磁场线圈 MWECR CVD 沉积系统设计原理
2.3.1 微波输入窗的设计
2.3.2 组合磁场的设计
2.4 磁场梯度对沉积氢化非晶薄膜的影响
2.4.1 磁场分布改变
2.4.2 氢化非晶薄膜制备及测量
2.5 结果
2.5.1 磁场分布和磁场梯度
2.5.2 氢化非晶薄膜特性
2.6 讨论
2.6.1 磁场梯度大情况下制备a-Si:H 薄膜沉积速率大的原因
2.6.2 沉积速率与温度的关系
2.6.3 磁场梯度影响制备的a-Si:H 薄膜光敏性的原因
2.6.4 磁场梯度对沉积速率的均匀性的影响
本章小结
第3章 氢化非晶硅薄膜红外透射谱分析及氢含量
3.1 引言
3.2 样品制备和测试
3.3 氢含量计算
3.3.1 红外透射谱的基线拟合
3.3.2 红外吸收谱
3.3.3 氢含量计算
3.4 结果与分析
3.4.1 结果
3.4.2 分析
3.5 组分分析
3.6 本章小结
第4章 用 HW-MWECR CVD 系统沉积大面积均匀氢化非晶硅薄膜的研究
4.1 引言
4.2 HW-MWECR CVD 系统
4.3 氢化非晶硅的紫外-可见光透射谱
4.4 氢化非晶硅薄膜的制备及测试
4.5 结果与分析
4.5.1 厚度不均匀性
4.5.2 结构不均匀性
4.6 本章小结
第5章 用MWECR CVD 系统制备氢化非晶/微晶硅薄膜
5.1 引言
5.2 样品制备
5.3 薄膜的拉曼谱分析
5.3.1 拉曼散射的经典解释
5.3.2 拉曼散射谱结果
5.4 微晶硅薄膜的光电特性
5.4.1 微晶硅薄膜的光敏性
5.4.2 载流子迁移率与寿命乘积
5.5 本章小结
第6章 用LBL 技术制备微晶硅薄膜的研究
6.1 引言
6.2 样品制备和测试
6.3 结果与讨论
6.3.1 暗电导测试结果
6.3.2 拉曼散射谱测试结果
6.3.3 红外吸收谱结果
6.3.4 光吸收系数与氢含量结果
6.3.5 光电导衰退结果
6.4 本章小结
第7章 用热丝辅助 MWECR CVD 方法制备纳米非晶硅薄膜的研究
7.1 引言
7.2 样品制备
7.3 结果与分析
7.3.1 拉曼散射谱测试结果
7.3.2 光学带隙测试结果
7.3.3 红外吸收谱测试结果
7.3.4 光电导和暗电导测试结果
7.4 本章小结
第8章 氢化非晶硅薄膜在氢气环境下同时进行热退火和光诱导退火的研究
8.1 引言
8.2 实验
8.2.1 样品制备
8.2.2 样品退火
8.3 结果与讨论
8.3.1 光电导衰退扩展指数参数
8.3.2 红外吸收谱与氢含量
8.3.3 光学带隙
8.3.4 光荧光光谱
8.3.5 光敏性结果
8.3.6 暗电导激活能结果
8.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间所发表的学术论文
致谢
发布时间: 2005-09-21
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