專利名稱：一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于硅納米材料制造技術領域，具體涉及一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備方法
背景技術：
硅作為半導體材料在集成電路和太陽能電池應用方面已有40多年的歷史。由于硅太陽能電池擁有清潔無污染特性和解決世界能源危機的可能性，其在太陽能電池和制備技術工藝方面已得到大量研究。目前實驗室研究中的硅基太陽能電池最大光電轉換效率已達24. 7%，逐漸接近其理論上限30%。研究表明，如果能將硅納米粒子尺寸減小至同其激子波爾半徑相比擬，硅納米粒子每吸收一個高能光子可產(chǎn)生多個電子-空穴對即硅納米粒子具有多激子產(chǎn)生效應。除此之外，硅納米粒子由于量子限制效應具有帶隙展寬特性，可擴大太陽能電池光譜吸收范圍，從而提高電池的光電轉換效率。理論研究發(fā)現(xiàn)如果將激子中的電子-空穴對分離形成自由電子和空穴并且被太陽能電池電極成功有效地收集，硅納米粒子太陽能電池光電轉換效率可達66%。因此基于多激子產(chǎn)生效應的硅納米粒子太陽能電池其應用前景不可估量。然而，制備高效率低成本且具備多激子產(chǎn)生效應的硅納米粒子太陽能電池的最富挑戰(zhàn)性技術之一便是制備尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子。硅納米粒子除了應用在未來高效率太陽能電池上以外，它還是一種理想的發(fā)光材料。在硅納米粒子內(nèi)部由于電子和空穴波函數(shù)發(fā)生重疊引起電子-空穴對產(chǎn)生較高的復合效率，并且實驗和理論研究也均發(fā)現(xiàn)其發(fā)光效率遠遠高于單晶硅。此外，在整個可見光譜范圍內(nèi)硅納米粒子光學帶隙具有可調(diào)性，發(fā)光波長隨其尺寸減小而藍移或發(fā)光波長隨其尺寸增大而紅移。因此，硅納米粒子在平板顯示、光發(fā)射二極管、薄膜晶體管、存儲設備、光互聯(lián)以及其他光電子器件方面有極其重要的應用前景。一般，硅納米粒子均通過鑲嵌在絕緣基質(zhì)中制備而成。目前，鑲嵌硅納米粒子的母體基質(zhì)主要有氧化硅、氮化硅和碳化硅三種。選擇氮化硅作為鑲嵌硅納米粒子的絕緣基質(zhì)這主要是因為(1)雖然三種基質(zhì)中由于碳化硅勢壘最低，電子波函數(shù)衰減長度最大，利于載流子的遂穿和注入，同時載流子具備較高的霍爾遷移率，是一種較理想的母體基質(zhì)材料，但是由于Si-Si和碳化硅中的Si-C點陣間隔差相比硅氧化物和氮化物較中的Si-O和Si-N點陣間隔差小，以及SiC和Si為等共價電子結構材料從而導致硅納米粒子在碳化硅基質(zhì)中很難形成。(2)氮化硅基質(zhì)同氧化硅基質(zhì)相比不僅具有較低的勢壘，利于載流子的遂穿和注入，而且載流子還具備較高的霍爾遷移率，利于載流子傳輸和收集。(3)氮化硅基質(zhì)中的硅納米粒子在發(fā)光方面有其獨特優(yōu)勢。鑲嵌在氮化硅基質(zhì)中的硅納米粒子同鑲嵌在氧化硅中的硅納米粒子相比不僅具有很高的發(fā)光效率，特別在短波長范圍。而且對于同一發(fā)光波長鑲嵌在氧化硅中的硅納米粒子尺寸要小于鑲嵌在氮化硅基質(zhì)中的硅納米粒子尺寸，這就意味著對于同一尺寸的硅納米粒子鑲嵌在氧化硅中的硅納米粒子的量子限制效應弱于鑲嵌在氮化硅基質(zhì)中的硅納米粒子的量子限制效應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅納米粒子的制備方法，該方法利于制備尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子，使之有利于硅納米粒子光電器件的應用。本發(fā)明提供的一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備方法，包括下述步驟(1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋8% 10%的SiH4 :50 70SCCm，純度 99. 99% 99. 999%的NH3 :40 60sccm，射頻功率70 90W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度180 220°C，鍍膜時間40 55分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)通入純度為99. 99% 99. 999%的氮氣并保持8 12分鐘，氮氣流量為3 kccm，將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至 750 850°C，保持8 12分鐘，斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成；所述百分比均為體積百分比。本發(fā)明涉及一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備工藝。該薄膜制備的特點是以P 單晶硅為襯底，以氫氣稀釋8% 10%的硅烷和純度99. 99% 99. 999%的高純氨氣為反應氣體通過等離子體增強化學氣相沉積技術制備非化學計量比的氮化硅薄膜，再采取熱退火的方式在氮化硅薄膜內(nèi)形成硅納米粒子。在制備硅納米粒子的過程中，通過不斷地優(yōu)化工藝，制備出了尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子。該制備方法易于小尺寸硅納米粒子的制備，并使之有利于硅納米粒子光電器件的應用。
具體實施例方式本發(fā)明采用P型單晶硅為襯底，以等離子增強化學氣相沉積法制備非化學計量比的氮化硅薄膜，之后采用750 850°C熱退火的方式制備尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子。所涉及制造工藝技術分為三部分。下面通過借助實施實例將更加詳細說明本發(fā)明。實例1 本發(fā)明實例，以等離子增強化學氣相沉積技術制備非化學計量比的氮化硅薄膜， 之后采用800°C熱退火的方式制備尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子。具體包括下述步驟(1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋10%的SiH4 :50SCCm，純度為99. 999 % NH3 50sccm，射頻功率80W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度200°C，鍍膜時間40分鐘；
(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)充入純度為99. 999%的氮氣并保持10分鐘，氮氣流量為dsccm， 將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至800°C，保持10分鐘， 斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成。實例2 (1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋10%的SiH4 :50SCCm，純度為99. 999 % NH3 60sccm，射頻功率80W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度200°C，鍍膜時間40分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)充入純度為99. 999%的氮氣并保持10分鐘，氮氣流量為dsccm， 將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至800°C，保持10分鐘， 斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成。實例3 (1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋10%的SiH4 :70SCCm，純度為99. 999 % NH3 50sccm，射頻功率70W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度220°C，鍍膜時間55分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)充入純度為99. 999%的氮氣并保持12分鐘，氮氣流量為Msccm， 將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至750°C，保持10分鐘， 斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成。實例4 (1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋10%的SiH4 :60SCCm，純度為99. 999 % NH3 60sccm，射頻功率90W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度180°C，鍍膜時間50分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)充入純度為99. 999%的氮氣并保持10分鐘，氮氣流量為3sCCm， 將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至850°C，保持12分鐘， 斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成。
實例5 (1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋10%的SiH4 :50SCCm，純度為99. 999 % NH3 40sccm，射頻功率80W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度210°C，鍍膜時間40分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前，向石英管退火爐內(nèi)充入純度為99. 999 %的氮氣并保持8分鐘，氮氣流量為Msccm，將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至750°C，保持8分鐘，斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成。以上所述為本發(fā)明較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施實例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1. 一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備方法，包括下述步驟(1)清洗P型單晶硅片；(2)采用等離子體增強化學氣相沉積技術在基片上制備非化學計量比氮化硅薄膜；其中通入的氣體及其流量為氫氣稀釋8% 10%的SiH4 :50sccm 70sccm，純度99. 99% 99. 999%的NH3 :40sccm 60sccm，射頻功率70W 90W，射頻頻率13. 56MHz，基片溫度 180 220°C，鍍膜時間40分鐘 55分鐘；(3)對制備完畢的非化學計量比氮化硅薄膜進行高溫退火處理；退火方式是升溫前， 向石英管退火爐內(nèi)通入純度為99. 99% 99. 999%的氮氣并保持8分鐘 12分鐘，氮氣流量為3sCCm kccm，將氮化硅薄膜置于石英舟上推入石英爐內(nèi)，在氮氣氛圍下直接升溫至 7500C 850°C，保持8分鐘 12分鐘，斷開加熱電源，氮化硅薄膜于石英爐內(nèi)在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。退火結束后，通過相分離過程尺寸小、有序性高、量子限制效應強的硅納米粒子便在氮化硅薄膜內(nèi)形成；所述百分比均為體積百分比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含硅納米粒子的氮化硅薄膜制備方法步驟為①清洗P型單晶硅襯底；②采用等離子體增強化學氣相沉積技術在襯底上制備富含硅的非化學計量比氮化硅薄膜；③以氮氣為保護氣體，把制備完畢的氮化硅薄膜置于石英爐內(nèi)進行750～800℃高溫退火，退火方式是石英管退火爐直接升溫至750～850℃后保持8～12分鐘，之后在無任何外加冷卻措施的條件下通過石英管退火爐自身散熱冷卻至室溫。非化學計量比的氮化硅薄膜經(jīng)高溫退火后，硅納米粒子通過相分離過程鑲嵌在氮化硅薄膜內(nèi)。鑲嵌在氮化硅薄膜內(nèi)的硅納米粒子最大特點是硅納米粒子平均尺寸小、有序性高、量子限制效應強、制備工藝簡單。
文檔編號C23C16/34GK102220568SQ20111013902
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2011年5月26日
發(fā)明者姜禮華, 張笑, 曾祥斌 申請人:華中科技大學