.2008文章编号:(2008)收稿日期:作者简介:朱成良(1983,男,浙江乐清人,硕士研究生,从事半导体材料研究。硅烷法制备非晶硅粉的晶化研究(浙江理工大学材料工程中心,杭州)研究不同温度下硅烷分解所制备的非晶硅粉的晶化规律。对非晶硅粉采用不同的温度进行退火处理使其晶化,用射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见吸收谱(UV)进行分析。结果表明:当退火温度高于750,硅粉开始晶化;温度低于750时,硅粉较难结晶。通过公式计算,结合SEMUV验证表明:750时,非晶硅粉晶化并不完全,退火后颗粒大小约为200nm。紫外可见光谱分析得到退火后光学带隙为eV左右。关键词:化学气相沉积;中图分类号:TB383文献标识码:,在半导体光电集成,光电转换和信息存储等领域有着广阔的应用前景,是纳米材料领域中最热门的研究课题之一。很多研究者已经成功制备了不同特征的纳米硅薄膜、纳米硅颗粒和纳米硅量子线等225]。纳米硅粉的制备方法有溅射沉积法、气相沉积法、离子增强气相沉积法、激光诱导化学气相沉积729]、液相化学还原法等。
非晶硅薄膜固相晶化法是一种常见的间接制备多晶硅薄膜的方法,]、]、陈永生13]等对非晶硅薄膜进行退火处理,用固相晶化法制备了性能较为稳定的多晶硅薄膜。采用固相晶化法制备纳米晶体硅颗粒设备简单,工艺简单易于控制,生产成本低,对大规模制备晶态硅粉具有一定意义,目前关于非晶硅纳米粉末固相晶化法的报道较少。本文采用硅烷化学气相沉积(CVD)法制备非晶纳米硅粉,并进行退火处理,研究退火处理对非晶硅粉的结构和性能的影响。试验材料和仪器高纯氮气(杭州特种气体有限公司),硅烷气体(硅烷10%,高纯氮气90%,浙江大学半导体研究所)′TRA粉末衍射仪,扫描电镜,型紫外光谱仪。试验方法首先用真空机械泵对整个系统抽真空,然后对整个系统充高纯氮气,充满后再抽真空,如此重复数次,严格控制系统内氧气和水分的含量。打开加热器对系统进行加热,到达设定温度后,以恒定流速60ml/min向系统中通入硅烷气体,保持反应器内部压力为0.MPa(1atm),使反应气体在500～750范围内分解生成粉体。待系统温度自然冷却至室温后,收集系统内瓷舟中的硅粉。
最后将收集的纳米硅粉在氮气气氛下进行退火处理,退火温度分别为650、700、750、900,升温速率10min,保温时间25min。产物的物相由粉末衍射仪(CuKα辐射,波长λ=154nm,电压40kV)确定;利用扫描电镜(工作电压160kV)观察样品的形貌及粒径大小;采用型紫外光谱仪测量样品光学带隙。硅粉经不同温度退火XRD是在530、气体流速60ml/min常压条件下制备的非晶硅粉在不同温度退火前后的XRD可知:在退火前未见有明显衍射峰,只在低衍射角处出现一个大的馒头峰,说明样品呈非晶态;在650、700分别退火25min之后,也未见有明显衍射峰,表明样品没有晶化;在750退火25min之后,硅粉在28.23、47.08、55.96处有明显衍射峰,且峰的位置和标准卡片()峰位置基本吻合,表明经过退火处理,纳米硅粉逐步晶化。非晶态硅虽然不具备长程有序结构,但在几个原子范围内仍保持短程有序,即每个原子周围仍是个硅原子共价键的束缚,因此硅晶体的形核需要克服一定的能量。可以推断在700和750之间存在一个过渡温度区间,当退火温度高于这个温度区间时,非晶硅粉退火后可以晶化;而当退火温度低于这个温度区时,非晶硅粉经退火也很难晶化。
在900退火25min后,相应衍射峰强度增强,且馒头峰有所减弱,表明晶化程度加强,这与前人的研究结果一致14]。由于固相晶化有形核和生长两个过程,在较低温时,形核驱动力大,临界形核半径较小,产生的晶核数量多,但是由于低温,原子扩散速度慢,晶化速度十分缓慢。在较高温时,形核驱动力小,临界形核半径较大,产生晶核数量极少,因此退火过程很难达到完全晶化。退火XRD为硅烷经不同温度分解得到的硅粉在750退火热处理后XRD可知在28.23、47.08、55.96、87.98等处均出现明显的衍射峰,与标准卡片()基本吻合。表明在530～650温度范围内分解反应制备的非晶硅粉退火后均可得到部分硅晶体。由公式Kλ/βcosθ,可近似计算退火后晶化硅粉尺寸,其中为粒径平均尺寸(nm)900,λ为入射X射线波长(nm),β为半高峰宽(弧度)。计算得530下制备得到的纳米硅粉经750火热处理后的硅粉的平均粒径约30.分别为530反应温度下制备的纳米硅粉和750退火30min后的扫描电镜图谱。由图3可知,其粒径由退火前的100nm左右长大成退火后200nm左右。由扫描电镜得出的粒径尺寸远大于公式计算的粒径,这可能是退火过程中硅粉只有部分晶化的缘故。
图4a、图4b分别为750退火前后硅粉的紫外可见吸收光谱。根据图4中切线方程计算,退火处理前后样品的光学带隙值分别为1.。经过750退火处理后得到的样品,其光学带隙值与未退火处理的相差不大,然而退火后样品与晶态硅的1.12eV的光学带隙值相差较大,其原因可能是退火处理未完全晶化,这进一步印证了硅粉只有部分晶化的结论。2008年第25退火温度是非晶硅粉固相晶化的关键,温度低于750不易晶化,高于750才产生晶化,升高退火温度可加强晶化。通过公式计算,退火后晶粒大小约为30.nm,远低于扫描电镜所观测到的200nm,表明在750下退火,非晶硅粉没有完全晶化。eV左右,也证明了硅粉只有部分晶化。参考文献:,,YuKe,.半导体学报,2004材料与冶金学报,2004光学仪器,,1998,,etal. ,1999 83/84: 187 etal. Laser 光电子激光,2005 LICVD法纳米硅制备过程中的成核及生长[J] 人工晶体学报,2004 10]Doshi etal. Rapid solar cells , 1996 41/42: 31 11] solar cells s, 2003 82:224 微波退火非晶硅薄膜低温晶化研究[J].压电与声光, 2001 13]陈永生, 非晶硅薄膜的快速热退火机理研究[J].人工晶体学报, 2006 量子电子学报,2005 649.Study XUMi un (
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