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磷掺杂纳米硅薄膜的研制

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Ξ国家自然科学基金 (批准号 :19374009) 资助的课题.
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物 理 学 报
PACC : 7360 F ; 6150C ; 6114 H ; 6855
1 引 言
自从 1984 年 Gleiter 小组提出纳米结构材料概 念以来[1 ] ,这一领域迅速发展起来. 纳米硅也属于 此范畴. 大量研究表明 nc2Si : H 膜具有光电性能好 、 光吸收 能 力 强 、室 温 电 导 率 高 、压 阻 系 数 大 等 特 点[2 —4 ] ,同时还发现 nc2Si : H 中的晶粒具有量子点 特征[3 ] ,电导机理已属于量子隧穿过程[5 ,6 ] . 掺杂作 为传统的半导体工艺对提高半导体的性能起到了决 定性作用 ,是使本征半导体走向实用化的必不可少 的手段. 非晶硅也只有在成功地实现了气相掺杂后 , 才在太阳能电池 、TF T 器件等领域得到广泛应用. 目前对 nc2Si : H 膜的掺杂研究还很少[7 ] ,本文将报 道我们在这方面的初步工作. 以我们沉积本征纳米 硅膜为基础[8 ] ,在反应气氛中加入磷烷 ( PH3) 并在 工艺过程中有效控制 PH3/ Si H4 气态比制备掺磷纳 米硅薄膜. 经微结构分析指出 ,沉积膜具有纳米相结 构.
第 49 卷 第 5 期 2000 年 5 月 100023290/ 2000/ 49 (05) / 0983206
物 理 学 报
ACTA PH YSICA SIN ICA
Vol. 49 ,No. 5 ,May ,2000 ν 2000 Chin. Phys. Soc.
磷掺杂纳米硅薄膜的研制 Ξ
成键. 即以 P —Si 键取代 Si —H 键 ,此时若 P 原子周
围的三个硅和其他硅原子之间再形成 Si 键 ,将在 Si
晶粒中生成一个替位式 P 原子 , P 原子将有可能被
激活 ,起到了有效掺杂作用. 事实上 , PH 键的键能
和 Si H 键差不多 ,因此 (3) 式的反应不可能在等离
子体反应中占据主导地位. 若等离子体反应以 (2) 式
用 PECVD 薄膜沉积方法 ,成功地制备了磷掺杂纳米硅 ( nc2Si : H ( P) ) 薄膜. 用扫描隧道电镜 ( STM) 、Raman 散 射 、傅里叶变换红外吸收 ( F TIR) 谱 、电子自旋共振 ( ESR) 、共振核反应 ( RNR) 技术对掺磷纳米硅进行了结构分析 , 确认了样品的微结构为纳米相结构. 掺磷后膜中纳米晶粒的平均尺寸 d 减小 ,一般在 215 —415 nm 之间 ,且排列更 加有序. 掺磷 nc2Si : H 膜具有较高的光吸收系数 ,光学带隙在 1173 —1178 eV 之间 ,和本征 nc2Si : H 相同. 掺杂 nc2Si : H 薄膜电导率在 10 - 1 —101 Ω- 1·cm - 1之间 ,比本征 nc2Si : H 提高了二个数量级 ,室温暗电导最高已达 5015 Ω- 1 · cm - 1 . 同时电导激活能在 0101 —0103 eV 之间 ,比本征 nc2Si : H 进一步降低.
312 STM 观察
图 2 给出一掺磷样品和一本征样品的 STM 照 片. STM 观测条件分别为 V bias = 11881 V , Iscan = - 0184 nA和 V bias = 11435 V , Iscan = - 0174 nA. 图 片尺寸分别为 50 nm ×50 nm 和 20 nm ×2414 nm.
以下等离子体反应[9 ] :
e - + PH3
PH2 + H + e- ,
(1)
PH + H2 + e- ,
(2)
P + H2 + H + e- .
(3)
磷原子的电负性与氢原子几乎相同 ,略大于硅
原子. 若等离子体反应是按 (3) 式进行的 ,即生成物
以 P 为主 ,PH 和 PH2 较少 ,则 P 将有较大概率与 Si
49 卷
即 PH2 是一级产物. 由于 PH2 脱氢较困难 ,且易以 配位键形成络合物 ,此时难以形成 P 的有效掺杂. 其反应式如下 :
PH2 + Si H3
PH2 Si H3 ,
(4)
PH2 + Si H2
PH2 Si H2 .
(5)
在反应气氛中若 PH3 的浓度很大 ,与 Si H4 相近 ,则
3 结果与讨论
目前对掺杂纳米硅样品的结构和物性了解较 少 ,还不能提出更有效的研究手段和方法. 我们对其 微结构的研究仍沿袭对本征 nc2Si : H 的研究手段.
311 Raman 谱图
图 1 给出了一典型掺杂 nc2Si : H 样品的 Raman 谱图. 对其进行对称分解 ,可得出平均晶粒尺寸 d 和晶态比 Xc 分别为 3175 nm ,5116 %. 通过对大量 样品的比较研究发现与本征 nc2Si : H 相比 ,掺杂样 品的 Raman 谱有两点不同 :
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5期
刘 明等 :磷掺杂纳米硅薄膜的研制
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313 红外吸收谱图
图 3 (a) 是一组不同掺杂浓度下掺磷纳米硅的 红外吸收谱图 ,掺杂浓度 ( PH3/ Si H4) 从 10 - 4增加到 10 - 1 ,Si H 伸张模 (2000 cm - 1) 随掺磷浓度提高逐渐 减弱 , Si H 摇摆模 (630 —640 cm - 1) 没有明显变化. 但在 880 —890 cm - 在 1600 —1500 cm - 1之间的 PH2 峰随掺杂浓度增加 略有增加.
刘 明1) 王子欧2) 奚中和3) 何宇亮4)
1) (中国科学院微电子中心 ,北京 100029) 2) (北京大学微电子中心 ,北京 100871) 3) (北京大学电子工程系 ,北京 100871) 4) (南京大学固体微结构物理国家实验室 ,南京 210093) (1999 年 6 月 23 日收到 ;1999 年 10 月 18 日收到修改稿)
诸多工艺条件下进行折中才行.
经过大量实验摸索 ,选择如下参数可制备成较
好的 磷 掺 杂 nc2Si : H 薄 膜 : 硅 烷 稀 释 比 011 % — 110 % ,掺杂浓度比 ( PH3/ Si H4 ) : 10 - 4 —10 - 1 , 衬底 温度 150 ℃—250 ℃,射频功率 40W —80W ,反应室 气体压力 10616 —13310 Pa ,直流负偏压 0 —- 200
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物 理 学 报
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晶网络是无规分布的 , ESR 信号在磁场中表现为各 向同性. 我们推测 J N23 可能和晶粒表面的某种缺陷 有关. 对掺磷纳米硅样品 ,其 ESR 见图 4 ( b) ,掺杂 浓度从 10 - 4 增加到 10 - 1 , g 值在 210013 —210034 之间变化. 磷掺入样品后 ,由于氢含量减少 ,使本征 样品中与氢核相互作用的 J N21 信号消失. 同时 ,由 于掺磷使晶粒间界更趋于整齐 ,J N23 也不明显 ,因 而只观察到和中性硅悬挂键有关的缺陷 (J N22) . 在 ESR 测量中没有观察到和掺磷有关的新缺陷. 对本 征 nc2Si : H 薄膜 ,算出其 N s 大约为 1016 cm - 3 ,比非 晶硅低一个数量级[11 ] . 掺磷后 ,其 N s 进一步下降 , 已达到 1014 cm - 3左右.
11 反映纳米晶粒的晶态峰有所不同 ; 本征 nc2 Si : H 的晶态峰一般在 509 —518 cm - 1之间 ,而磷掺 杂 nc2Si : H的晶态峰在504 —515cm - 1之间 . 对本征
图 2 本征和掺磷样品的 STM 照片
对照本征样品的 STM 可知 :本征 nc2Si : H 由大小不 均匀的晶粒组成 ,晶粒排列的紧密程度不同 ,但晶粒 与晶粒之间界限分明. 对于掺磷样品 ,晶粒明显变 小 ,排列更有序 ,形成了明显的晶粒带. 似乎呈现出 自组织 ( Self2Assembly) 生长的现象. 这一观测与 Ra2 man 观测结果一致.
2 实 验
在使用 PECVD 法分解 Si H4 沉积 nc2Si : H 薄膜
时 ,等离子体中 Si H4 气体的分解及反应基在气2固
(衬底) 界面上的化学反应对薄膜沉积和生长起决定
性作用. 在制备磷掺杂 nc2Si : H ( P) 薄膜时 ,当将磷
烷 ( PH3) 加入后 ,整个问题变得较为复杂. 可能发生
为主 ,反应的结果是以 PH 为一级产物 ,这时 PH 也
会有较大概率与 Si H 作用 ,形成 Si —P —H 键. 由于
PH 键能稍稍大于 Si H ,在等离子体反应过程中 Si H
键易于受到轰击而断裂从而重新构成 Si —P —H 键
合 ,它也可能形成有效掺杂. 若反应是以 (1) 式为主 ,
V.
图 1 一典型掺磷样品的 Raman 谱
和掺杂样品进行比较发现 :若固定其他工艺参数不 变掺磷样品的晶粒相对小于本征样品.
21 掺磷样品的非晶峰位较本征样品往高波数 方向偏移且半高宽减小. 说明掺磷后 ,膜中非晶界面 体系 的 无 序 度 减 小 , 即 P 的 掺 入 使 晶 界 部 分 更 有序.
(a) 本征样品的 ESR

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磷离子注入石英基纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能探究

磷离子注入石英基纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能探究

磷离子注入石英基纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能探究本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！金刚石具有禁带宽、迁移率高等优异的电学性能，是应用潜力巨大的高温半导体材料。

由于金刚石的n 型掺杂困难，极大地阻碍了其在电子领域的应用。

纳米金刚石薄膜具有纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界的复合结构，具有较大的n 型掺杂潜力。

国际上在纳米金刚石薄膜中掺入氮，氮元素大量积聚于非晶碳晶界中，并且氮是金刚石中的深能级杂质。

因此，氮掺杂纳米金刚石薄膜具有电阻率低和迁移率低的特性，难以用作电学器件。

我们采用离子注入方法，将施主杂质离子同时注入到纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界中，有效地提高了薄膜的迁移率和n 型电导率。

在我们的实验中，用于磷离子注入的纳米金刚石薄膜是生长在单晶硅衬底上的，单晶硅对薄膜导电性能可能有贡献。

石英具有高透过率、高绝缘性和良好的化学稳定性，对生长在其上的纳米金刚石薄膜的电学性能影响较小。

为了了解磷离子注入纳米金刚石薄膜本身对n 型电导的贡献，我们在石英衬底上制备纳米金刚石薄膜，再在薄膜中注入一定剂量的磷离子，系统研究其微结构和电学性能，对于理解磷离子注入纳米金刚石薄膜的导电机理，具有重要意义。

1 实验采用偏压热丝化学气相沉积(HFCVD)法，在石英衬底上制备纳米金刚石(NCD)薄膜。

在薄膜中注入剂量为1×1014cm-2(P14 样品)的磷离子，对磷离子注入后的NCD 薄膜进行800 和900 ℃的退火处理，退火时间为30 min。

表 1 列出了NCD 薄膜的离子注入和退火方案。

采用Accent HL5500 系统测试薄膜的电阻率、导电类型、载流子迁移率和载流子浓度等参数；采用波长为514 nm 的LabRAMHRUV80C 型激光拉曼光谱仪(Raman)测试不同样品的微结构；采用KRATOSAXIS ULTRA 型号X 射线光电子能谱仪(XPS)测试薄膜表面的元素组成、原子价态和表面能态分布等。

射频PECVD法高压快速制备纳米晶硅薄膜

射频PECVD法高压快速制备纳米晶硅薄膜

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8482008 年第 5 期 ( 39) 卷射频 P ECVD 法高压快速制备纳米晶硅薄膜陈城钊1 ,邱胜桦1 ,刘翠青1 ,吴燕丹1 ,李 1 ,余楚迎2 ,林璇英1 ,2 平( 1. 韩山师范学院物理与电子工程系 ,广东潮州 521041 ;2. 汕头大学物理系 ,广东汕头 515063 )摘 : 要采用传统的射频等离子体增强化学气相沉积技术 , 在较高的工作气压( 133 ～ 266 Pa ) 下 , 以 0. 4 nm/ s 速率制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜。

薄膜的晶化率约 60 % , 平均晶粒尺寸约 6. 0nm , 暗电导率为 10 - 3 ～ 104 / Ω ?cm 。

红外吸收谱显示 , 薄膜中没有 Si —、—、—等杂质键 , 随晶化率的提高 , Si — O Si C Si N H 键也逐渐消失。

关键词 : 纳米晶硅薄膜 ; RF2P ECVD ; 生长速率中图分类号 : TM914. 4 文献标识码 :A 文章编号 :100129731 ( 2008) 0520848203 度 ,从而降低离子对薄膜生长表面的轰击能量。

我们实验室以 Si H4 / H2 为源气体 , 反应气压 133 ～ 266 Pa , 射频功率为 60～70W ,在 200 ℃低温下 ,以 0. 4nm/ s 生 - 3 长速率制备出暗电导率为 10 Ω - 1 / cm 的优质纳米晶硅薄膜。

2 样品制备和测试1 引言氢化纳米晶硅 ( nc2Si ∶H ) 薄膜是镶嵌在氢化非晶硅 ( a2Si ∶H ) 网络里的一种硅纳米晶颗粒结构。

与氢化非晶硅相比 , nc2Si ∶H 结构更加稳定 , 具有较高的电导率以及带隙可调等优点。

掺磷纳米硅薄膜的制备及介观力学性质与介观接触电阻的研究(1)

掺磷纳米硅薄膜的制备及介观力学性质与介观接触电阻的研究(1)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟掺磷纳米硅薄膜的制备及介观力学性质与介观接触电阻的研究(1)采用PECVD 法制备的纳米硅薄膜是一种具有特殊性能的人工材料。

它是由大量具有纳米量级的硅微晶粒构成，纳米硅晶粒镶嵌在由非晶硅构成网络中，其晶粒所占的体积百分比为XC≈50%，从而决定了其特有的性质。

本文通过严格控制薄膜生长的工艺参数，得到了掺磷纳米硅薄膜，并通过原位纳米力学电学测试系统对其力学和电学性质进行测试，发现掺磷纳米硅薄膜的纳米硬度为5 GPa，而其杨氏模量随着压入深度的增加而增大，其接触电阻与薄膜的结构密切相关。

这些属性对于纳米硅薄膜微器件的制备具有重要的参考意义。

纳米硅薄膜是一种特殊的人工材料,其晶粒大小为10 nm 以下，这些晶粒之间存在着大量的界面。

这种特殊的结构使得纳米硅薄膜具有一系列新颖的物性，如较强的光吸收能力、高的室温电导率、稳定的光电性能、较大的压阻系数等。

根据其优良的物理性能，人们已成功开发了如发光二极管，隧穿二极管，太阳能电池，薄膜晶体管等光电器件，目前本课题组尝试利用其良好的压敏系数制作高灵敏度压力传感器及微器件。

但是材料要大量应用于器件需要材料有稳定的力学和电学性质，本文主要介绍课题组对纳米硅薄膜性质的最新结果，这些结论是纳米硅薄膜器件将面临的问题。

1、薄膜制备与XRD 测量晶粒大小实验以平行板电容式PECVD－2D 型等离子体淀积台作为反应系统。

反应室极限真空度达到1.5 乘以10-4 Pa，射频电源频率为13.56 MHz，极板间距d＝30 mm，抽气速率为9.9 乘以10-4 Pa 小于40 min。

实验采用R.F+D.C 双重功率源激励气体辉光放电，通过控制衬底温。

《2024年HWCVD法制备纳米硅薄膜及其工艺参数研究》范文

《2024年HWCVD法制备纳米硅薄膜及其工艺参数研究》范文

《HWCVD法制备纳米硅薄膜及其工艺参数研究》篇一一、引言随着科技的进步和材料科学的飞速发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质在许多领域展现出巨大的应用潜力。

其中，纳米硅薄膜作为一种重要的半导体材料，在微电子、光电子和传感器等领域具有广泛的应用。

HWCVD（热丝化学气相沉积）法作为一种制备纳米硅薄膜的常用技术，其工艺参数对薄膜的性能和质量具有重要影响。

本文旨在研究HWCVD法制备纳米硅薄膜的工艺参数，为制备高质量的纳米硅薄膜提供理论依据和实验指导。

二、HWCVD法简介HWCVD法是一种制备硅基纳米薄膜的化学气相沉积技术。

该技术通过加热丝状钨、钽等材料形成高温热源，进而激发周围气体（如硅烷、硅基前驱体等）中的反应性成分。

当这些反应性成分被分解并在热丝上凝聚时，便可形成高质量的硅薄膜。

由于此技术能够提供较为稳定的成膜过程，因此在硅基薄膜制备中应用广泛。

三、制备工艺及参数研究1. 基底材料及处理基底材料的选择和处理对薄膜的质量具有重要影响。

常用的基底材料包括单晶硅、玻璃等。

在制备前需要对基底进行清洗，以去除表面的杂质和污垢。

同时，根据实际需要，对基底进行抛光和氧化处理，以提高其表面平整度和亲水性。

2. 工艺参数研究（1）温度参数：温度是HWCVD法制备纳米硅薄膜的关键参数之一。

温度过高或过低都会影响薄膜的结晶度和质量。

因此，需要选择合适的温度范围，使反应性成分在热丝上充分分解并凝聚成膜。

（2）气体流量：气体流量对薄膜的生长速度和结构具有重要影响。

当气体流量过大时，反应性成分的浓度过高，可能导致薄膜生长过快，从而影响其质量；而气体流量过小则可能导致反应不充分，影响薄膜的生长速度。

因此，需要根据实际情况选择合适的气体流量。

（3）气压参数：气压参数也会对纳米硅薄膜的生长过程产生影响。

当气压过低时，可能会导致成膜过程不均匀；而气压过高时，可能会抑制薄膜的成长。

因此，在HWCVD过程中，需要根据具体情况调整气压参数。