CN103132018B

CN103132018B - 一种提高非晶硅薄膜电导率的方法

Info

Publication number: CN103132018B
Application number: CN201310078158.6A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 郭安然; 何剑; 王垠; 余峰; 王冲; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: CN103132018A

Abstract

本发明公开了一种提高非晶硅薄膜电导率的方法，属于非晶半导体薄膜材料与器件技术领域。该方法包括以下步骤：①对绝缘衬底基片进行清洗；②采用射频磁控溅射方法，在上述基片表面通过硅钌复合靶溅射沉积非晶硅钌合金薄膜；③原位退火处理；④采用共面电极方法制备金属电极。本发明通过在非晶网络中引入贵金属钌，在保留非晶硅薄膜具有较高电阻温度系数、良好光吸收特性的同时，能有效提高非晶硅薄膜的电导率；可用于热敏电阻、红外探测器件和硅基薄膜太阳能电池等领域。

Description

一种提高非晶硅薄膜电导率的方法

技术领域

本发明属于硅基非晶半导体薄膜材料与器件技术领域，具体涉及一种提高非晶硅薄膜电导率的方法。

背景技术

非晶半导体材料有别于传统的晶体材料，不具有长程有序性，而是一种共价无规则网络结构，没有周期性排列的约束。因而，非晶半导体材料在光学、电学等方面拥有不同于晶体半导体的特性。非晶硅（a-Si）薄膜具有光吸收率高、电阻温度系数（TCR）相对较大、禁带宽度可控、可大面积低温（<400℃）成膜、基片种类不限、生产工艺较简单、与硅半导体工艺兼容等突出优点，在红外成像、薄膜太阳能电池、液晶显示、复印机感光鼓等领域具有广泛应用。

与单晶硅相比，本征非晶硅薄膜因其存在大量以悬挂键为主的缺陷，导致了费米能级钉扎效应，材料性能很差，一般很少直接使用。1975年，Spear等利用硅烷的直流辉光放电技术，首次制备了氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。氢的加入饱和了非晶硅薄膜中的悬挂键，降低了缺陷密度，使掺杂改性变得可行，从而促使了氢化非晶硅薄膜的器件化应用。

为了提高氢化非晶硅薄膜的电导率，常用的掺杂剂以磷或硼为主。通常情况下，薄膜电导率随掺入磷（硼）比例增加而提高，当室温电导率增至10^-2S/cm时达到最大值，此时费米能级E_F刚好进入导带（价带）的带尾态，因此电导率不再随磷（硼）比例增加而提高。

测量薄膜电阻率可以采用“四探针法”或共面电极电阻测试方法。其中“四探针法”一般只适用于低阻薄膜，而共面电极电阻测试方法适用于低阻和高阻薄膜。

薄膜电导率σ可由以下公式求得：

其中：R是薄膜电阻，L是薄膜长度即两共面电极间距，W是薄膜宽度，d是薄膜厚度，ρ是薄膜电阻率。

薄膜方阻R_S可由以下公式求得：

薄膜电阻温度系数TCR可由以下公式求得：

其中T为温度。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于，提供了一种新的提高非晶硅薄膜电导率的方法，其通过在非晶网络中引入贵金属钌，在保留非晶硅薄膜具有良好电阻温度系数等优点的同时，能有效提高非晶硅薄膜的电导率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高非晶硅薄膜电导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①对绝缘衬底基片进行清洗，分别用丙酮、乙醇溶液和去离子水进行超声清洗，使基片表面洁净；

②采用射频磁控溅射方法，纯钌块被对称镶嵌于纯硅靶表面；

③首先将沉积室抽至高真空并加热基片，然后预溅射，最后沉积非晶硅钌合金薄膜；

④对步骤③得到的薄膜进行原位退火处理；

⑤在步骤④得到的薄膜表面制备金属电极，采用矩形金属共面电极，用于非晶硅钌合金薄膜的电导率测试。

作为本发明进一步的改进：

步骤①中所述的丙酮和乙醇均为分析纯，超声时间均为15min；

步骤②中所述靶材为纯硅靶，并将纯钌块对称镶嵌于溅射轨迹上；钌块与硅靶溅射轨迹面积之比决定了薄膜的钌掺入量，钌/硅的面积比为1%~8%；

步骤③中所述射频磁控溅射本底真空为10^-4Pa，基片温度为300℃，溅射功率为200W；

步骤④中所述退火处理为原位真空退火，温度为200℃，时间为30min；

步骤⑤中所述金属电极材料采用镍铬、钛，制备方法采用热蒸发、磁控溅射真空沉积技术。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

硅钌合金薄膜在保留非晶硅薄膜具有较高电阻温度系数、良好光吸收特性的同时，能有效提高非晶硅薄膜的电导率；可用于热敏电阻、红外探测器件和硅基薄膜太阳能电池等领域。

附图说明

图1是本发明工艺流程示意图；

图2是本发明所使用靶材示意图；

图3是本发明所使用共面电极示意图；

附图标记为： 1为金属电极、2为待测薄膜、3为纯钌块、4为纯硅靶，L是薄膜长度、W是薄膜宽度、d是薄膜厚度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

步骤1：采用K9玻片作为基片。使用洗涤剂擦试基片，并用去离子水冲洗。把基片放入盛有丙酮（分析纯）的容器中，将该容器放入超声清洗仪中，超声清洗15min，然后用去离子水冲洗基片。基于同样的方法，继续依次使用乙醇（分析纯）和去离子水清洗基片。将清洗好的基片放入盛有去离子水的容器中。

步骤2：采用直径为100mm、厚度为3mm的硅钌复合靶，6颗规格为4mm×15mm×1mm的纯钌块对称镶嵌于硅靶的溅射轨迹上；钌块与硅靶溅射轨迹面积之比约为6%。

步骤3：使用机械泵抽真空至3Pa以下，再使用分子泵抽真空至10^-4Pa以下，并加热基片至300℃。预热射频匹配器和气体流量计约5～6min。通入氩气，调节气流量为20sccm，沉积室气压为0.50Pa，调节射频功率为200W，预溅射10min。转动工件位置，维持氩气流量为20sccm，此时沉积室气压为0.50Pa，开始溅射沉积硅钌合金薄膜，时间为1h。

步骤4：采用原位退火，在真空度10^-4Pa、温度200℃的条件下保温30min。

步骤5：采用真空热蒸发，通过掩膜版在步骤4所得薄膜的表面蒸镀8-2镍铬合金，得到共面电极。

测量所得硅钌合金薄膜的厚度d为1200nm，长度L为4mm，宽度W为7mm。在室温下的测试结果如表1所示，其中本征非晶硅薄膜的电导率、TCR由查阅资料获得，薄膜方阻为同等厚度d下计算获得。

表1

非晶硅基薄膜	薄膜电导率	薄膜方阻	TCR（绝对值）
				本征非晶硅薄膜	1×10^-9S/cm	8.33×10¹²Ω/□	1.8～8%/K
非晶硅钌合金薄膜	0.63S/cm	1.33×10⁴Ω/□	1.5%/K

实施例2：

步骤1：同实施例1的步骤1。

步骤2：采用直径为100mm，厚度为3mm的硅钌复合靶，4颗规格为4mm×15mm×1mm的纯钌块对称镶嵌于硅靶的溅射轨迹上。钌块与硅靶溅射轨迹面积之比约为4%。

步骤3：同实施例1的步骤3。

步骤4：同实施例1的步骤4。

步骤5：同实施例1的步骤5。

测量所得硅钌合金薄膜的厚度d为864nm，长度L为4mm，宽度W为7mm。在室温下的测试结果如表2所示，其中本征非晶硅薄膜的电导率、TCR由查阅资料获得，薄膜方阻为同等厚度d下计算获得。

表2

非晶硅基薄膜	薄膜电导率	薄膜方阻	TCR（绝对值）
				本征非晶硅薄膜	1×10^-9S/cm	1.16×10¹³Ω/□	1.8～8%/K
非晶硅钌合金薄膜	1.79×10^-2S/cm	6.45×10⁵Ω/□	2.0%/K

实施例3：

步骤1：同实施例1的步骤1。

步骤2：采用直径为100mm、厚度为3mm的硅钌复合靶，2颗规格为4mm×15mm×1mm的纯钌块对称镶嵌于硅靶的溅射轨迹上。钌块与硅靶溅射轨迹面积之比约为2%。

步骤3：同实施例1的步骤3。

步骤4：同实施例1的步骤4。

步骤5：同实施例1的步骤5。

测量所得硅钌合金薄膜的厚度d为770nm，长度L为4mm，宽度W为7mm。在室温下的测试结果如表3所示，其中本征非晶硅薄膜的电导率、TCR由查阅资料获得，方阻为同等厚度d下计算获得。

表3

非晶硅基薄膜	薄膜电导率	薄膜方阻	TCR（绝对值）
				本征非晶硅薄膜	1×10^-9S/cm	1.30×10¹³Ω/□	1.8～8%/K
非晶硅钌合金薄膜	1.67×10^-3S/cm	7.78×10⁶Ω/□	2.4%/K

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种提高非晶硅薄膜电导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

②采用射频磁控溅射方法，纯钌块被对称镶嵌于硅靶表面；

④对步骤③得到的薄膜进行原位退火处理；

⑤在步骤④得到的薄膜表面制备金属电极，采用矩形金属共面电极，用于非晶硅钌合金薄膜的电导率测试；

步骤①的具体步骤如下：采用K9玻片作为基片，使用洗涤剂擦试基片，并用去离子水冲洗，把基片放入盛有丙酮的容器中，将该容器放入超声清洗仪中，超声清洗15min，然后用去离子水冲洗基片，基于同样的方法，继续依次使用乙醇和去离子水清洗基片，将清洗好的基片放入盛有去离子水的容器中，其中丙酮和乙醇均为分析纯;

步骤②的具体步骤如下：所述靶材为纯硅靶，并将纯钌块对称镶嵌于溅射轨迹上；钌块与硅靶溅射轨迹面积之比决定了薄膜的钌掺入量；采用直径为100mm、厚度为3mm的硅钌复合靶，6颗规格为4mm×15mm×1mm的纯钌块对称镶嵌于硅靶的溅射轨迹上；钌块与硅靶溅射轨迹面积之比约为6%；

步骤③的具体步骤如下：使用机械泵抽真空至3Pa以下，再使用分子泵抽真空至10^-4Pa以下，并加热基片至300℃；预热射频匹配器和气体流量计5～6min；通入氩气，调节气流量为20sccm，沉积室气压为0.50Pa，调节射频功率为200W，预溅射10min，转动工件位置，维持氩气流量为20sccm，此时沉积室气压为0.50Pa，开始溅射沉积硅钌合金薄膜，时间为1h；

步骤④的具体步骤如下：采用原位退火，在真空度10^-4Pa、温度200℃的条件下保温30min；

步骤⑤的具体步骤如下：采用真空热蒸发，通过掩膜版在步骤④所得薄膜的表面蒸镀8-2镍铬合金，得到共面电极。