采用熱絲化學氣相沉積法在不同氣壓( 1~ 8 Pa) 下沉積了p 型納米晶硅薄膜, 研究了沉積氣壓對薄膜晶化率和電輸運性能的影響。結果表明, 薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸隨沉積氣壓升高而增大, 而當沉積氣壓超過6 Pa 后, 薄膜的晶化率和平均晶粒尺寸會減小。當沉積氣壓由1 Pa 升高到2 Pa 時, BH3 粒子迅速增多, 且吸附方式是化學吸附, 因而載流子濃度從8.9×1018 cm- 3迅速增大到6.252×1020 cm- 3。此時電導率從1.08 S/ cm 顯著增加到29.5 S/ cm, 而電導激活能則從95􀀁8 meV急劇減小至18.6 meV, 這是硼雜質摻雜濃度和薄膜的晶化率迅速增大所致。

　　氫化納米硅( nc-Si:H) 是一種混合相材料, 其中納米尺度( 幾個納米~ 30 nm) 的硅晶粒鑲嵌在a-Si:H 網絡里。p 型nc-Si:H 薄膜被廣泛應用于薄膜

　　太陽能電池和薄膜晶體管等大面積光電器件中, 具有較高的摻雜效率, 高的電導率和遷移率及低的光吸收等優點。nc-Si:H 薄膜的沉積方法主要有等離子化學氣相沉積(PECVD) 法和熱絲化學氣相沉積(HWCVD) 法等。與傳統的PECVD 相比, 采用HWCVD 法制備p 型nc-Si􀀁H 薄膜, 沉積速率快, 氣體利用率高, 對薄膜的損傷少, 成本低。因而,需要對nc-Si􀀁H 薄膜的HWCVD 制備、結構以及電輸運性能進行系統而深入地研究。

　　在先前對nc-Si:H 薄膜的結構和電輸運性能的研究工作中, 人們提出了一些理論模型, 主要有晶界(GB) 陷阱模型和異質結量子點隧穿( HQD) 模型等。GB 陷阱模型表明: nc-Si:H 薄膜中的a-Si:H 網絡被看作是硅晶粒間的晶界區, 一般為2- 4 個原子層厚, 其中存在著大量的陷阱態, 這些陷阱態會俘獲載流子并形成晶界勢壘, 阻礙載流子的輸運。根據HQD 模型, nc-Si:H 薄膜中的a-Si:H 和硅晶粒構成異質結, a-Si􀀁H 為勢壘, 硅晶粒為勢阱, 其電輸運機制以熱激發輔助電子隧穿為主, 輸運過程是電子先被激發到硅晶粒量子點中, 然后隧穿通過晶界勢壘區。

　　本文采用HWCVD 在不同沉積氣壓下制備晶化率不同的p 型nc-Si:H 薄膜, 對相應薄膜的電輸運性能進行了對比, 并結合以上兩個模型對不同沉積氣壓下薄膜的晶化率和電輸運性能, 特別是電導激活能進行了研究, 獲得了電導激活能僅為13.5meV 的薄膜。

結論

　　(1) 當沉積氣壓1 Pa 升高到6 Pa 時, 熱絲分解產生的H 原子增多, 同時產生的SiH3 粒子增多, 因而薄膜晶化率和平均晶粒尺寸增大; 當沉積氣壓進一步升高時, 薄膜表面H 原子覆蓋減少, 薄膜晶化率和平均晶粒尺寸減小。

　　(2) 當沉積氣壓從1 Pa 升高到2 Pa 時, BH3 化學吸附于薄膜生長表面, 因而載流子濃度迅速增大。當沉積氣壓繼續增加到8 Pa, 雖然B2H6 分解產生的BH3 粒子增多, 但是多數BH3 粒子物理吸附于薄膜表面, 因而載流子濃度緩慢增大甚至減小。沉積氣壓高于2 Pa 時, 硼雜質濃度的迅速增加導致電離雜質散射顯著增強, 并主導了遷移率的逐漸減小。

　　(3) 當沉積氣壓從1 Pa 升高到2 Pa 時, 硼雜質摻雜濃度迅速增大, 且薄膜的晶化率增大, 因而電導激活能迅速減小, 其后電導激活能隨沉積氣壓緩慢減小。