a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜的光、電特性研究*

蔣 冰，丁 寧，陳乙豪，馬 蕾

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

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a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜的光、電特性研究*

蔣 冰，丁 寧，陳乙豪，馬 蕾

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，以SiH4、CH4和H2為反應(yīng)氣體，在單晶硅和石英襯底上制備a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜。利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，同時(shí)對(duì)其電子輸運(yùn)性質(zhì)和光吸收特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)條件下制備的多層薄膜樣品為非晶態(tài)多層薄膜結(jié)構(gòu)，并且樣品具有良好的周期性結(jié)構(gòu)和陡峭的界面特性。室溫條件下，樣品在垂直方向上呈現(xiàn)出多勢(shì)壘順序共振隧穿特性。由于量子限制效應(yīng)，當(dāng)a-Si∶H勢(shì)阱層厚度<8 nm，隨著勢(shì)阱層厚度減小，樣品的光學(xué)帶隙增大，光吸收系數(shù)減小。

PECVD；多層薄膜；微結(jié)構(gòu)特征；電子輸運(yùn)性質(zhì)；光吸收特性

0 引 言

早在1970年，esaki等[1]就提出了多勢(shì)壘超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。隨后，kazarinov等[2-3]通過對(duì)多勢(shì)壘超晶格結(jié)構(gòu)垂直方向上電子輸運(yùn)過程的理論研究，提出了順序共振隧穿的概念。1987年，pereyra等[4]在實(shí)驗(yàn)中觀察到了氫化非晶硅/氫化非晶碳化硅(a-Si∶H/a-SiC∶H)雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)中電子在垂直輸運(yùn)過程中的共振隧穿現(xiàn)象，為a-Si∶H基超晶格中電子輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。利用共振隧穿效應(yīng)可制作出各種共振隧穿和電荷存儲(chǔ)器件[5-7]，由于其具有體積小、低功耗、高頻、高速的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低功耗電路領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

另一方面，由于多層納米薄膜超晶格結(jié)構(gòu)中勢(shì)阱層具有不同的光學(xué)帶隙，以這種結(jié)構(gòu)作為吸收層的多結(jié)疊層新概念太陽(yáng)電池，可以有效地增加太陽(yáng)光譜的吸收范圍，提高光電轉(zhuǎn)換效率。Tao等[8]將磁控濺射和高溫退火工藝相結(jié)合制備了納米硅/二氧化硅(nc-Si/SiO2)超晶格結(jié)構(gòu)，通過分析證明，制備樣品時(shí)采用不同的襯底溫度會(huì)對(duì)樣品的電子輸運(yùn)和光吸收特性產(chǎn)生較大的影響。Perez等[9]制備了以nc-Si/SiO2超晶格構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，得到了492 mV的開路電壓。Cao等[10]以納米硅/碳化硅(nc-Si/SiC)多層結(jié)構(gòu)作為本證吸收層制備了異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，得到3.74%的光電轉(zhuǎn)換效率。近年來，對(duì)半導(dǎo)體多層薄膜結(jié)構(gòu)的光、電特性研究取得了較大進(jìn)展，但仍有一些問題需要進(jìn)行深入的探索和研究。例如，非晶態(tài)超晶格材料是典型的非晶態(tài)多層體系，由于多層薄膜各子層之間的界面增多，因此導(dǎo)致整個(gè)多層結(jié)構(gòu)體系的缺陷態(tài)密度增大，有序度降低，因此影響其光、電特性。另一方面，與晶態(tài)超晶格結(jié)構(gòu)相比，非晶態(tài)超晶格材料無(wú)序并且富含氫，在高溫和強(qiáng)光照射條件下，由于內(nèi)部氫原子的擴(kuò)散而進(jìn)一步增大了材料的缺陷態(tài)密度，導(dǎo)致制備的器件性能較不穩(wěn)定。此外，由于SiC具有光學(xué)帶隙寬、電子遷移率高和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，近年來在大功耗、高溫、抗輻射光電集成器件制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)Si/SiC多層薄膜超晶格結(jié)構(gòu)材料的光、電特性進(jìn)行深入研究具有重要意義。

本文采用PECVD系統(tǒng)，制備多周期的a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品，并利用TEM對(duì)樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。然后，對(duì)樣品在垂直方向的電子輸運(yùn)性質(zhì)和光吸收特性進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

利用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)，以H2作為稀釋氣體，交替通入SiH4和CH4的混合氣體，通過控制CH4氣體的通斷，分別在石英和單晶硅襯底上交替生長(zhǎng)a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品。反應(yīng)室壓強(qiáng)60 Pa，射頻功率密度250 mW/cm2，襯底溫度250 ℃，氣體混合比例H2∶SiH4∶CH4=60∶1∶4。

利用TEM觀測(cè)了制備的多層薄膜樣品的微結(jié)構(gòu)特征, 利用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)測(cè)量了多層膜樣品的反射譜和透射譜, 通過計(jì)算得到樣品的光吸收系數(shù)。利用磁控濺射工藝，將頂層Ag電極沉積在多層薄膜樣品表面，背極Ag電極直接濺射在高摻雜的單晶硅襯底背表面上，形成Ag電極/(a-Si∶H/a-SiC∶H)多層膜/單晶硅/Ag電極結(jié)構(gòu)。在室溫?zé)o光照條件下，利用Keithley 4200測(cè)試該樣品在垂直方向上的I-V特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 微結(jié)構(gòu)表征

圖1中示出了制備的具有6個(gè)周期結(jié)構(gòu)的a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品的剖面TEM照片，圖1(a)為a-Si∶H勢(shì)阱層厚度5 nm，a-SiC∶H勢(shì)壘層厚度25 nm多層薄膜樣品的微結(jié)構(gòu)照片，其中黑色區(qū)域?yàn)閱尉Ч杵r底，顏色較深的區(qū)域?yàn)閍-Si∶H勢(shì)阱層，顏色較淺的為a-SiC∶H勢(shì)壘層?？梢钥闯?，制備的a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品具有良好的周期性結(jié)構(gòu)，并且各子層薄膜之間界面特性陡峭，子層厚度與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸吻合良好。圖1(b)為本樣品的HRTEM照片，中間部分顏色較深的部分為a-Si∶H勢(shì)阱層，可以看出，在樣品的勢(shì)阱層和勢(shì)壘層中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)晶成分，樣品為非晶態(tài)多層薄膜結(jié)構(gòu)。

圖1 a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜的剖面TEM照片

2.2 載流子輸運(yùn)特性

圖2示出了，制備的a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜在室溫條件下典型的I-V特性曲線，本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)樣品的勢(shì)阱層和勢(shì)壘層厚度均為2 nm。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在樣品的I-V曲線中可以觀察到兩個(gè)明顯的電流峰，電流峰值分別對(duì)應(yīng)2.04和4.94 V的負(fù)偏壓。通過對(duì)樣品的微分電導(dǎo)進(jìn)行了計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，樣品電流峰值所對(duì)應(yīng)的微分電導(dǎo)dI/dV=0，而當(dāng)負(fù)偏壓值繼續(xù)增加時(shí)，dI/dV<0，顯現(xiàn)出了負(fù)微分電導(dǎo)特征，樣品的電子輸運(yùn)方式呈現(xiàn)出多勢(shì)壘超晶格順序共振隧穿輸運(yùn)特征。

圖2 a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品的室溫下I-V曲線

為了深入分析樣品的電子輸運(yùn)過程，建立如圖3所示的多勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)模型，來進(jìn)一步分析其多勢(shì)壘電子隧穿機(jī)制。如圖3所示，圖3(a)為零偏壓下的多層膜樣品的能帶示意圖。室溫條件下，單晶硅的禁帶寬度為1.12 eV，由于實(shí)驗(yàn)采用的是N型重?fù)诫s單晶硅片作為襯底，故費(fèi)米能級(jí)(EF)進(jìn)入導(dǎo)帶。根據(jù)課題組對(duì)同實(shí)驗(yàn)條件下制備的單層a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜樣品測(cè)量的光吸收譜，可估算出單層a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜的光學(xué)帶隙約為1.8和2.5 eV，通過計(jì)算，可以得到兩種單層薄膜材料之間的帶邊失調(diào)值約為0.4 eV[11]。根據(jù)有效質(zhì)量近似，可估算出多層薄膜樣品中a-Si∶H勢(shì)阱層中可容納兩個(gè)量子化能級(jí)，如圖3中標(biāo)注的E1和E2。

圖3 不同負(fù)偏壓下a-Si∶H/a-SiC∶H多層膜樣品的能帶示意圖

在對(duì)多層薄膜樣品施加負(fù)偏壓時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生傾斜，如圖3(b)所示。當(dāng)注入的電子能量與第一個(gè)a-Si∶H勢(shì)阱中容納的第一個(gè)量子化能級(jí)E1發(fā)生共振時(shí)，電子將穿過勢(shì)壘層的限制，產(chǎn)生第一次電子共振隧穿過程，此時(shí)對(duì)應(yīng)樣品I-V曲線中負(fù)偏壓為2.04 V時(shí)的電流峰。當(dāng)樣品上施加的負(fù)偏壓繼續(xù)增大時(shí)，其能帶將會(huì)發(fā)生更大程度的傾斜。此時(shí)，當(dāng)能帶的傾斜程度導(dǎo)致第一個(gè)勢(shì)阱中的基態(tài)能級(jí)E1與第二個(gè)勢(shì)阱中的第二量子化能級(jí)E2發(fā)生能量共振時(shí)，第一個(gè)勢(shì)阱中E1能級(jí)上的電子將隧穿到第二個(gè)勢(shì)阱中空的第二量子化能級(jí)E2上，并且通過發(fā)射聲子的方式，使電子從E2非輻射弛豫到基態(tài)能級(jí)E1，其過程如圖3(c)中所示。此時(shí)，對(duì)應(yīng)樣品I-V曲線中負(fù)偏壓為4.84 V時(shí)的電流峰。

由于在本實(shí)驗(yàn)中，制備的多層薄膜樣品的勢(shì)壘層和勢(shì)阱層厚度相同，可以認(rèn)為電子共振隧穿結(jié)構(gòu)模型符合對(duì)稱雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。對(duì)稱雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的隧穿電流密度表達(dá)式如

(1) 其中，TB是單勢(shì)壘的透射系數(shù)，Eτ是量子阱中量子化能級(jí)相對(duì)于阱底的能量，EF,e是發(fā)射極的費(fèi)米能級(jí)。通過上文中對(duì)樣品中電子多勢(shì)壘順序共振隧穿機(jī)制的分析可知，第一次電子共振隧穿過程的形成是通過勢(shì)阱中的第一量子化能級(jí)E1而產(chǎn)生，而形成第二次共振隧穿過程要借助勢(shì)阱中的第二量子化能級(jí)E2。由于E2比E1距勢(shì)阱底更遠(yuǎn)，因此第二次共振隧穿過程與第一次相比Eτ值更大。根據(jù)式(1)可知，Eτ值的增加會(huì)導(dǎo)致形成的共振隧穿電流密度增大，因此發(fā)生第二次共振隧穿的電流峰值與第一次共振隧穿電流峰值相比出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)。

2.3 光吸收特性

圖4示出了不同勢(shì)阱層厚度的多層膜樣品光吸收系數(shù)，其中a-Si∶H勢(shì)阱層厚度為2～10 nm逐漸增加，a-SiC∶H勢(shì)壘層厚度固定為5 nm不變?？梢缘弥?，勢(shì)阱層厚度大于8 nm時(shí)，樣品的光吸收系數(shù)沒有發(fā)生較大變化。當(dāng)勢(shì)阱層厚度小于8 nm，樣品的光吸收系數(shù)隨著阱層a-Si∶H厚度的減小而減小，樣品的光吸收邊發(fā)生了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象[13]，這是非晶態(tài)多層膜超晶格結(jié)構(gòu)的量子尺寸效應(yīng)[14]的主要表現(xiàn)之一，這種效應(yīng)可以利用二維周期方勢(shì)阱模型來進(jìn)一步說明。

圖4 不同勢(shì)阱層厚度多層膜樣品的光吸收系數(shù)曲線

對(duì)于多層納米薄膜超晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)勢(shì)阱層的厚度減小到接近電子的德布羅意波長(zhǎng)時(shí)，勢(shì)阱層中的能量將發(fā)生量子化，勢(shì)阱中的能帶將不再連續(xù)，進(jìn)而分裂成量子化的能級(jí)，電子在其中將形成駐波[14]。如圖4中插圖所示，在這種情況下電子在z方向?qū)⑹艿絼?shì)阱的限制，而在x和y平面內(nèi)電子仍具有自由電子的性質(zhì)，此時(shí)電子的總能量等于平行子層界面(即x、y平面)方向所具有的動(dòng)能E(x,y)和量子能級(jí)上的能量En之和，表達(dá)式[12]如下所示

(2)

3 結(jié) 論

利用PECVD系統(tǒng)，以H2作為稀釋氣體，以SiH4和CH4分別作為硅源和碳源，通過逐層生長(zhǎng)的方式在單晶硅和石英襯底上，制備了a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜，利用TEM對(duì)樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，利用相關(guān)測(cè)試手段，分析了樣品垂直方向的電子輸運(yùn)特性和光吸收特性。通過分析研究表明，制備的多層薄膜樣品具有陡峭的界面特性和良好的周期性結(jié)構(gòu)，各子層中未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)晶成分。室溫條件下，在對(duì)子層厚度為2 nm 的多層薄膜樣品縱向I-V特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加電壓高于2.04和4.94 V時(shí)，呈現(xiàn)出多勢(shì)壘超晶格結(jié)構(gòu)的順序共振隧穿輸運(yùn)特性。通過對(duì)樣品的光吸收特性分析可知：當(dāng)勢(shì)阱層a-Si∶H薄膜厚度由8 nm逐漸減小時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)，樣品的光學(xué)帶隙展寬、光吸收邊出現(xiàn)藍(lán)移。

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The optical and electrical properties of a-Si∶H/a-SiC∶H multilayer films

JIANG Bing, DING Ning, CHEN Yihao, MA Lei

(College of Electronic and Informational Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China)

The a-Si∶H/a-SiC∶H multilayer film was prepared on the monocrystalline silicon and quartz substrates by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition technique(RF-PECVD), using SiH4,CH4and H2as reaction gas sources. The microstructures of a-Si∶H/a-SiC∶H samples characterized represented using transmission electron microscope(TEM).At the same time, the electrical transport and optical absorption properties of a-Si∶H/a-SiC∶H multilayer films were experimental studied. The results show that the multilayer film samples were amorphous multilayer film with good periodic structure and steep interfaces. At room temperature, sequential resonant tunneling peculiarities on the vertical direction of multilayer film samples were observed. When well layer thickness of a-Si∶H is smaller than 8 nm, the optical band increase and optical absorption coefficient decrease with the decreasing of well layer thickness, which results from quantum size confinement effect.

PECVD; multilayer film; microstructural characteristics; electrical transport properties;optical properties

1001-9731(2016)10-10153-04

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61204079)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2013201196)

2015-09-21

2016-01-11 通訊作者：蔣 冰，E-mail: 409283556@qq.com

蔣 冰 (1985-)，男，河北承德人，碩士，工程師，師承彭英才教授，從事硅基納米結(jié)構(gòu)光電信息薄膜材料研究。

O484.1

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.028