[發明專利]一種帶隙可調高電導率硅基薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 201810959326.5
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109326504A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 徐駿;劉孝龍;季陽;陳坤基
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一種帶隙可調高電導率硅基薄膜的制備方法，以石英和單晶硅作為襯底，利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)生長一層磷摻雜非晶富硅SiC薄膜，通過改變原料氣甲烷(CH₄)、硅烷(SiH₄)和適量的磷烷(PH₃)的氣體流量，實現C/Si比的調節以及摻雜濃度的改變；其中CH₄/SiH₄氣體流量的比例范圍為0.3～3，PH₃的氣體流量變化為0sccm～80sccm；通過退火，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成鑲嵌于非晶SiC膜中的硅納米晶。SiH₄氣體流量1sccm以上，PH₃的氣體流量0.5～80sccm以上。

技術領域

本發明涉及一種基于硅襯底和石英襯底材料的摻雜硅納米晶的設計與制備。尤其是涉及利用SiC作為硅納米晶的母體基質材料，通過摻雜來提高薄膜的電導率，得到帶隙和導電性可調的硅基薄膜應用到半導體硅基光電子和納電子器件。

背景技術

近年來，鑲嵌在絕緣材料中的硅納米晶在光電器件有著潛在的應用前景，可以被用作下一代太陽能電池、發光器件、非易失存儲器以及探測器等，引起了人們廣泛的關注。一般，絕緣材料SiO₂可被用來當做硅納米晶的母體基質材料，形成的這種復合材料具有良好的光電性能，極大地拓寬了這類材料的應用范圍。同時，SiO₂具有良好的鈍化作用，能夠有效地減少載流子的復合幾率，提高器件的性能。除此之外，SiO₂還可以被用作多層膜的硅介質膜，充當限制晶化層。但是， SiO₂材料的禁帶寬度較大，即使制備出鑲嵌在二氧化硅中的納米硅復合材料，其電導率依然較低，不利于載流子的隧穿、輸運和收集，限制了其在光電器件中的進一步應用。

相對于SiO₂,非晶SiC作為一種硅基材料具有更小的光學帶隙，其與硅材料之間形成的價帶和導帶的勢壘偏移量較小，有利于提高載流子的隧穿效率和改善相應器件的性能。而且其光學帶隙的大小可通過C/Si比進行調節，且在退火條件下存在良好的雜質激活效果。但是，帶隙可調的SiC材料其電導率往往較低；利用SiC作為硅納米晶的母體基質材料，改變薄膜的C/Si比對帶隙進行調控；通過摻雜來提高薄膜的電導率，得到帶隙和導電性可調的硅基薄膜應用到半導體硅基光電子和納電子器件中，發展高性能的半導體光電芯片是有意義的工作。

本發明對非晶的富硅SiC薄膜進行高溫退火處理，薄膜得到晶化，形成了鑲嵌于SiC中的硅納米晶的復合材料,相比于未退火的非晶SiC薄膜，電導率有了提高，達到了1.2×10^-6S/cm，但是其電導率還是太低。為了進一步提高這種復合材料的電導率，我們對硅納米晶進行了摻雜，發現這種復合材料的電導率得到了極大地提高。同時，通過退火技術，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成鑲嵌于非晶 SiC中的硅納米晶，其遷移率的大小明顯增加，改善了載流子的輸運能力，提高了這種復合材料的電學性能。因此，帶隙可調高電導的SiC薄膜可以作為太陽能電池的窗口層或者硅基光電器件的輸運層。另外，相似的技術也可發展利用到富硅氮化硅膜(SiNx)中。

發明內容

本發明目的是，利用SiC作為硅納米晶的母體基質材料，通過改變SiC薄膜中的C/Si比以及退火溫度，達到調節其光學帶隙的目的。同時，為了進一步提高材料的電導率，對硅納米晶進行了不同濃度的摻雜。

本發明技術方案是，一種帶隙可調高電導率硅基薄膜的制備方法，其基本特點是以石英和單晶硅作為襯底，利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)生長一層磷摻雜非晶富硅SiC薄膜(通過退火技術，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成鑲嵌于非晶SiC膜中的硅納米晶)，通過改變甲烷(CH₄)、硅烷(SiH₄)和磷烷(PH₃) 的氣體流量，實現C/Si比的調節以及摻雜濃度的改變。其中CH₄/SiH₄的比例范圍為0.3～3，PH₃的氣體流量變化為0sccm～80sccm。