[发明专利]一种含硅纳米粒子的氮化硅薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硅纳米材料制造技术领域，具体涉及一种含硅纳米粒子的氮化硅薄膜制备方法

技术背景

硅作为半导体材料在集成电路和太阳能电池应用方面已有40多年的历史。由于硅太阳能电池拥有清洁无污染特性和解决世界能源危机的可能性，其在太阳能电池和制备技术工艺方面已得到大量研究。目前实验室研究中的硅基太阳能电池最大光电转换效率已达24.7％，逐渐接近其理论上限30％。研究表明，如果能将硅纳米粒子尺寸减小至同其激子波尔半径相比拟，硅纳米粒子每吸收一个高能光子可产生多个电子-空穴对即硅纳米粒子具有多激子产生效应。除此之外，硅纳米粒子由于量子限制效应具有带隙展宽特性，可扩大太阳能电池光谱吸收范围，从而提高电池的光电转换效率。理论研究发现如果将激子中的电子-空穴对分离形成自由电子和空穴并且被太阳能电池电极成功有效地收集，硅纳米粒子太阳能电池光电转换效率可达66％。因此基于多激子产生效应的硅纳米粒子太阳能电池其应用前景不可估量。然而，制备高效率低成本且具备多激子产生效应的硅纳米粒子太阳能电池的最富挑战性技术之一便是制备尺寸小、有序性高、量子限制效应强的硅纳米粒子。

硅纳米粒子除了应用在未来高效率太阳能电池上以外，它还是一种理想的发光材料。在硅纳米粒子内部由于电子和空穴波函数发生重叠引起电子-空穴对产生较高的复合效率，并且实验和理论研究也均发现其发光效率远远高于单晶硅。此外，在整个可见光谱范围内硅纳米粒子光学带隙具有可调性，发光波长随其尺寸减小而蓝移或发光波长随其尺寸增大而红移。因此，硅纳米粒子在平板显示、光发射二极管、薄膜晶体管、存储设备、光互联以及其他光电子器件方面有极其重要的应用前景。

一般，硅纳米粒子均通过镶嵌在绝缘基质中制备而成。目前，镶嵌硅纳米粒子的母体基质主要有氧化硅、氮化硅和碳化硅三种。选择氮化硅作为镶嵌硅纳米粒子的绝缘基质这主要是因为：

(1)虽然三种基质中由于碳化硅势垒最低，电子波函数衰减长度最大，利于载流子的遂穿和注入，同时载流子具备较高的霍尔迁移率，是一种较理想的母体基质材料，但是由于Si-Si和碳化硅中的Si-C点阵间隔差相比硅氧化物和氮化物较中的Si-O和Si-N点阵间隔差小，以及SiC和Si为等共价电子结构材料从而导致硅纳米粒子在碳化硅基质中很难形成。

(2)氮化硅基质同氧化硅基质相比不仅具有较低的势垒，利于载流子的遂穿和注入，而且载流子还具备较高的霍尔迁移率，利于载流子传输和收集。

(3)氮化硅基质中的硅纳米粒子在发光方面有其独特优势。镶嵌在氮化硅基质中的硅纳米粒子同镶嵌在氧化硅中的硅纳米粒子相比不仅具有很高的发光效率，特别在短波长范围。而且对于同一发光波长镶嵌在氧化硅中的硅纳米粒子尺寸要小于镶嵌在氮化硅基质中的硅纳米粒子尺寸，这就意味着对于同一尺寸的硅纳米粒子镶嵌在氧化硅中的硅纳米粒子的量子限制效应弱于镶嵌在氮化硅基质中的硅纳米粒子的量子限制效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅纳米粒子的制备方法，该方法利于制备尺寸小、有序性高、量子限制效应强的硅纳米粒子，使之有利于硅纳米粒子光电器件的应用。

本发明提供的一种含硅纳米粒子的氮化硅薄膜制备方法，包括下述步骤：

(1)清洗P型单晶硅片；

(2)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上制备非化学计量比氮化硅薄膜；其中通入的气体及其流量为：氢气稀释8％～10％的SiH₄：50～70sccm，纯度99.99％～99.999％的NH₃：40～60sccm，射频功率：70～90W，射频频率：13.56MHz，基片温度：180～220℃，镀膜时间：40～55分钟；

(3)对制备完毕的非化学计量比氮化硅薄膜进行高温退火处理；退火方式是：升温前，向石英管退火炉内通入纯度为99.99％～99.999％的氮气并保持8～12分钟，氮气流量为3～5sccm，将氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英炉内，在氮气氛围下直接升温至750～850℃，保持8～12分钟，断开加热电源，氮化硅薄膜于石英炉内在无任何外加冷却措施的条件下通过石英管退火炉自身散热冷却至室温。退火结束后，通过相分离过程尺寸小、有序性高、量子限制效应强的硅纳米粒子便在氮化硅薄膜内形成；

所述百分比均为体积百分比。