氢稀释对多晶硅薄膜结构特性和光学特性的影响

黄  锐; 林璇英; 余云鹏; 林揆训; 祝祖送; 魏俊红

doi:10.7498/aps.55.2523

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摘要
以SiCl4和H2为气源，用等离子体增强化学气相沉积技术，在250℃的低温下，研究氢稀释度对多晶硅薄膜结构特性的影响.实验结果表明，对于以SiCl4和H2组成的反应源气体，氢对薄膜生长特性的影响有异于SiH4/H2，在一定功率下，薄膜的晶化率随氢稀释度的减小而增加，在一定的氢稀释度下薄膜晶化度达到最大值85％；随着氢稀释度的继续减小，薄膜晶化度迅速下降，并逐渐向非晶态结构转变.随氢稀释度的减小，薄膜的光学带隙由 1.5eV减小至约1.2eV，而后增大至1.8eV.沉积速率则随氢稀释度的减小先增加后减小，在无氢条件下，无薄膜形成.在最佳氢稀释度条件下，Cl基是促进晶化度提高，晶粒长大的一个主要因素.

关键词:
多晶硅薄膜 /

微结构 /

氢稀释 /

SiCl4
Abstract
Polycrystalline silicon films were prepared from SiCl4 diluted with hydrogen by plasma-enhanced chemical vapor deposition at a low temperature of 250℃. The effect of hydrogen dilution on their structure and optical properties were investigated. It was found that the effect of hydrogen on the growth behavior of the films deposited using SiCl4+H2 are completely different from that of using SiH4/H2. The crystalline fraction increases with decreasing the hydrogen dilution ratio R and reaches a maximum value of 85% at a low hydrogen dilution. However, further decreasing hydrogen dilution ratio leads the crystallinity to deteriorate and a phase transition between microcrystalline silicon and amorphous silicon is observed. The optical band gap gradually decreases from ～1.5eV to ～1.2eV and then increases up to 1.8eV with the decrease of the hydrogen dilution ratio. The deposition rate initially increases and then decreases with decreasing hydrogen dilution ratio, and no film is formed by using pure SiCl4. According to these results, we conclude that under the condition of optimum hydrogen dilution ratio, the enhanced crystalline fraction and the increase in grain size are attributed to the Cl radicals which play important roles in the low-temperature growth of crystalline silicon films.

Keywords:
polycrystalline silicon film /

microstructure /

hydrogen dilution /

SiCl4
作者及机构信息
黄锐²,

林璇英¹,

余云鹏¹,

林揆训¹,

祝祖送¹,

魏俊红¹

(1)汕头大学物理系，汕头 515063; (2)汕头大学物理系，汕头 515063；南京大学物理系，固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号：G2000028208)资助的课题.
Authors and contacts
Huang Rui²,

Lin Xuan-Ying¹,

Yu Yun-Peng¹,

Lin Kui-Xun¹,

Zhu Zu-Song¹,

Wei Jun-Hong¹

(1)汕头大学物理系，汕头 515063; (2)汕头大学物理系，汕头 515063；南京大学物理系，固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093
参考文献

施引文献

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[12]	张红娣, 安玉凯, 麦振洪, 高炬, 胡凤霞, 王勇, 贾全杰. La0.8Ca0.2MnO3/SrTiO3薄膜厚度对其结构及磁学性能的影响. 物理学报, 2007, 56(9): 5347-5352. doi: 10.7498/aps.56.5347
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[14]	周炳卿, 刘丰珍, 朱美芳, 谷锦华, 周玉琴, 刘金龙, 董宝中, 李国华, 丁琨. 利用x射线小角散射技术研究微晶硅薄膜的微结构. 物理学报, 2005, 54(5): 2172-2175. doi: 10.7498/aps.54.2172
[15]	祝祖送, 林璇英, 余云鹏, 林揆训, 邱桂明, 黄锐, 余楚迎. 用SiCl4/H2气源沉积多晶硅薄膜光照稳定性的研究. 物理学报, 2005, 54(8): 3805-3809. doi: 10.7498/aps.54.3805
[16]	陈一匡, 林揆训, 罗　志, 梁锐生, 周甫方. 铝诱导非晶硅薄膜的场致低温快速晶化及其结构表征. 物理学报, 2004, 53(2): 582-586. doi: 10.7498/aps.53.582
[17]	黄　锐, 林璇英, 余云鹏, 林揆训, 姚若河, 黄文勇, 魏俊红, 王照奎, 余楚迎. 多晶硅薄膜低温生长中晶粒大小的控制. 物理学报, 2004, 53(11): 3950-3955. doi: 10.7498/aps.53.3950
[18]	汪六九, 朱美芳, 刘丰珍, 刘金龙, 韩一琴. 热丝化学气相沉积技术低温制备多晶硅薄膜的结构与光电特性. 物理学报, 2003, 52(11): 2934-2938. doi: 10.7498/aps.52.2934
[19]	王永谦, 陈维德, 陈长勇, 刁宏伟, 张世斌, 徐艳月, 孔光临, 廖显伯. 快速热退火和氢等离子体处理对富硅氧化硅薄膜微结构与发光的影响. 物理学报, 2002, 51(7): 1564-1570. doi: 10.7498/aps.51.1564
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氢稀释对多晶硅薄膜结构特性和光学特性的影响

1. (1)汕头大学物理系，汕头 515063; (2)汕头大学物理系，汕头 515063；南京大学物理系，固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号：G2000028208)资助的课题.

收稿日期: 2005-08-30

修回日期: 2005-11-11

刊出日期: 2006-05-20

摘要: 以SiCl4和H2为气源，用等离子体增强化学气相沉积技术，在250℃的低温下，研究氢稀释度对多晶硅薄膜结构特性的影响.实验结果表明，对于以SiCl4和H2组成的反应源气体，氢对薄膜生长特性的影响有异于SiH4/H2，在一定功率下，薄膜的晶化率随氢稀释度的减小而增加，在一定的氢稀释度下薄膜晶化度达到最大值85％；随着氢稀释度的继续减小，薄膜晶化度迅速下降，并逐渐向非晶态结构转变.随氢稀释度的减小，薄膜的光学带隙由 1.5eV减小至约1.2eV，而后增大至1.8eV.沉积速率则随氢稀释度的减小先增加后减小，在无氢条件下，无薄膜形成.在最佳氢稀释度条件下，Cl基是促进晶化度提高，晶粒长大的一个主要因素.

关键词:

Effect of hydrogen dilution on structure and optical properties of polycrystalline silicon films

1.
(1)汕头大学物理系，汕头 515063; (2)汕头大学物理系，汕头 515063；南京大学物理系，固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093

Received Date: 30 August 2005

Accepted Date: 11 November 2005

Published Online: 20 May 2006

Abstract: Polycrystalline silicon films were prepared from SiCl4 diluted with hydrogen by plasma-enhanced chemical vapor deposition at a low temperature of 250℃. The effect of hydrogen dilution on their structure and optical properties were investigated. It was found that the effect of hydrogen on the growth behavior of the films deposited using SiCl4+H2 are completely different from that of using SiH4/H2. The crystalline fraction increases with decreasing the hydrogen dilution ratio R and reaches a maximum value of 85% at a low hydrogen dilution. However, further decreasing hydrogen dilution ratio leads the crystallinity to deteriorate and a phase transition between microcrystalline silicon and amorphous silicon is observed. The optical band gap gradually decreases from ～1.5eV to ～1.2eV and then increases up to 1.8eV with the decrease of the hydrogen dilution ratio. The deposition rate initially increases and then decreases with decreasing hydrogen dilution ratio, and no film is formed by using pure SiCl4. According to these results, we conclude that under the condition of optimum hydrogen dilution ratio, the enhanced crystalline fraction and the increase in grain size are attributed to the Cl radicals which play important roles in the low-temperature growth of crystalline silicon films.

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