[发明专利]一种带隙可调高电导率硅基薄膜的制备方法

说明书

一种带隙可调高电导率硅基薄膜的制备方法，以石英和单晶硅作为衬底，利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长一层磷掺杂非晶富硅SiC薄膜，通过改变原料气甲烷(CH₄)、硅烷(SiH₄)和适量的磷烷(PH₃)的气体流量，实现C/Si比的调节以及掺杂浓度的改变；其中CH₄/SiH₄气体流量的比例范围为0.3～3，PH₃的气体流量变化为0sccm～80sccm；通过退火，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成镶嵌于非晶SiC膜中的硅纳米晶。SiH₄气体流量1sccm以上，PH₃的气体流量0.5～80sccm以上。

技术领域

本发明涉及一种基于硅衬底和石英衬底材料的掺杂硅纳米晶的设计与制备。尤其是涉及利用SiC作为硅纳米晶的母体基质材料，通过掺杂来提高薄膜的电导率，得到带隙和导电性可调的硅基薄膜应用到半导体硅基光电子和纳电子器件。

背景技术

近年来，镶嵌在绝缘材料中的硅纳米晶在光电器件有着潜在的应用前景，可以被用作下一代太阳能电池、发光器件、非易失存储器以及探测器等，引起了人们广泛的关注。一般，绝缘材料SiO₂可被用来当做硅纳米晶的母体基质材料，形成的这种复合材料具有良好的光电性能，极大地拓宽了这类材料的应用范围。同时，SiO₂具有良好的钝化作用，能够有效地减少载流子的复合几率，提高器件的性能。除此之外，SiO₂还可以被用作多层膜的硅介质膜，充当限制晶化层。但是， SiO₂材料的禁带宽度较大，即使制备出镶嵌在二氧化硅中的纳米硅复合材料，其电导率依然较低，不利于载流子的隧穿、输运和收集，限制了其在光电器件中的进一步应用。

相对于SiO₂,非晶SiC作为一种硅基材料具有更小的光学带隙，其与硅材料之间形成的价带和导带的势垒偏移量较小，有利于提高载流子的隧穿效率和改善相应器件的性能。而且其光学带隙的大小可通过C/Si比进行调节，且在退火条件下存在良好的杂质激活效果。但是，带隙可调的SiC材料其电导率往往较低；利用SiC作为硅纳米晶的母体基质材料，改变薄膜的C/Si比对带隙进行调控；通过掺杂来提高薄膜的电导率，得到带隙和导电性可调的硅基薄膜应用到半导体硅基光电子和纳电子器件中，发展高性能的半导体光电芯片是有意义的工作。

本发明对非晶的富硅SiC薄膜进行高温退火处理，薄膜得到晶化，形成了镶嵌于SiC中的硅纳米晶的复合材料,相比于未退火的非晶SiC薄膜，电导率有了提高，达到了1.2×10^-6S/cm，但是其电导率还是太低。为了进一步提高这种复合材料的电导率，我们对硅纳米晶进行了掺杂，发现这种复合材料的电导率得到了极大地提高。同时，通过退火技术，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成镶嵌于非晶 SiC中的硅纳米晶，其迁移率的大小明显增加，改善了载流子的输运能力，提高了这种复合材料的电学性能。因此，带隙可调高电导的SiC薄膜可以作为太阳能电池的窗口层或者硅基光电器件的输运层。另外，相似的技术也可发展利用到富硅氮化硅膜(SiNx)中。

发明内容

本发明目的是，利用SiC作为硅纳米晶的母体基质材料，通过改变SiC薄膜中的C/Si比以及退火温度，达到调节其光学带隙的目的。同时，为了进一步提高材料的电导率，对硅纳米晶进行了不同浓度的掺杂。

本发明技术方案是，一种带隙可调高电导率硅基薄膜的制备方法，其基本特点是以石英和单晶硅作为衬底，利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长一层磷掺杂非晶富硅SiC薄膜(通过退火技术，使非晶SiC薄膜得到晶化，形成镶嵌于非晶SiC膜中的硅纳米晶)，通过改变甲烷(CH₄)、硅烷(SiH₄)和磷烷(PH₃) 的气体流量，实现C/Si比的调节以及掺杂浓度的改变。其中CH₄/SiH₄的比例范围为0.3～3，PH₃的气体流量变化为0sccm～80sccm。