蔣 冰，丁 寧，陳乙豪，馬 蕾

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

采用射頻等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術，以SiH4、CH4和H2為反應氣體，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)對樣品的微結構進行了表征，同時對其電子輸運性質和光吸收特性進行了實驗研究。結果表明，本實驗條件下制備的多層薄膜樣品為非晶態(tài)多層薄膜結構，并且樣品具有良好的周期性結構和陡峭的界面特性。室溫條件下，樣品在垂直方向上呈現出多勢壘順序共振隧穿特性。由于量子限制效應，當a-Si∶H勢阱層厚度<8 nm，隨著勢阱層厚度減小，樣品的光學帶隙增大，光吸收系數減小。

PECVD；多層薄膜；微結構特征；電子輸運性質；光吸收特性

0 引 言

早在1970年，esaki等[1]就提出了多勢壘超晶格結構的設計思想。隨后，kazarinov等[2-3]通過對多勢壘超晶格結構垂直方向上電子輸運過程的理論研究，提出了順序共振隧穿的概念。1987年，pereyra等[4]在實驗中觀察到了氫化非晶硅/氫化非晶碳化硅(a-Si∶H/a-SiC∶H)雙勢壘結構中電子在垂直輸運過程中的共振隧穿現象，為a-Si∶H基超晶格中電子輸運性質的理論研究和實際應用都提供了寶貴的實驗依據。利用共振隧穿效應可制作出各種共振隧穿和電荷存儲器件[5-7]，由于其具有體積小、低功耗、高頻、高速的優(yōu)點，在高速和低功耗電路領域展現出廣闊的應用前景。

另一方面，由于多層納米薄膜超晶格結構中勢阱層具有不同的光學帶隙，以這種結構作為吸收層的多結疊層新概念太陽電池，可以有效地增加太陽光譜的吸收范圍，提高光電轉換效率。Tao等[8]將磁控濺射和高溫退火工藝相結合制備了納米硅/二氧化硅(nc-Si/SiO2)超晶格結構，通過分析證明，制備樣品時采用不同的襯底溫度會對樣品的電子輸運和光吸收特性產生較大的影響。Perez等[9]制備了以nc-Si/SiO2超晶格構成的異質結太陽電池，得到了492 mV的開路電壓。Cao等[10]以納米硅/碳化硅(nc-Si/SiC)多層結構作為本證吸收層制備了異質結太陽電池，得到3.74%的光電轉換效率。近年來，對半導體多層薄膜結構的光、電特性研究取得了較大進展，但仍有一些問題需要進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，因此導致整個多層結構體系的缺陷態(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)超晶格結構相比，非晶態(tài)超晶格材料無序并且富含氫，在高溫和強光照射條件下，由于內部氫原子的擴散而進一步增大了材料的缺陷態(tài)密度，導致制備的器件性能較不穩(wěn)定。此外，由于SiC具有光學帶隙寬、電子遷移率高和抗輻射能力強等優(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域得到了廣泛應用。因此，對Si/SiC多層薄膜超晶格結構材料的光、電特性進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對樣品的微結構進行了表征。然后，對樣品在垂直方向的電子輸運性質和光吸收特性進行了分析研究。

1 實 驗

利用等離子體化學氣相沉積(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a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品。反應室壓強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觀測了制備的多層薄膜樣品的微結構特征, 利用紫外-可見-近紅外分光光度計測量了多層膜樣品的反射譜和透射譜, 通過計算得到樣品的光吸收系數。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電極結構。在室溫無光照條件下，利用Keithley 4200測試該樣品在垂直方向上的I-V特性。

2 結果與討論

2.1 微結構表征

圖1中示出了制備的具有6個周期結構的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勢阱層厚度5 nm，a-SiC∶H勢壘層厚度25 nm多層薄膜樣品的微結構照片，其中黑色區(qū)域為單晶硅片襯底，顏色較深的區(qū)域為a-Si∶H勢阱層，顏色較淺的為a-SiC∶H勢壘層。可以看出，制備的a-Si∶H/a-SiC∶H多層薄膜樣品具有良好的周期性結構，并且各子層薄膜之間界面特性陡峭，子層厚度與實驗設計尺寸吻合良好。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勢阱層，可以看出，在樣品的勢阱層和勢壘層中沒有發(fā)現明顯的結晶成分，樣品為非晶態(tài)多層薄膜結構。

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，本實驗中被測樣品的勢阱層和勢壘層厚度均為2 nm。從圖2可以發(fā)現，在樣品的I-V曲線中可以觀察到兩個明顯的電流峰，電流峰值分別對應2.04和4.94 V的負偏壓。通過對樣品的微分電導進行了計算可以發(fā)現，樣品電流峰值所對應的微分電導dI/dV=0，而當負偏壓值繼續(xù)增加時，dI/dV<0，顯現出了負微分電導特征，樣品的電子輸運方式呈現出多勢壘超晶格順序共振隧穿輸運特征。

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過程，建立如圖3所示的多勢壘能帶結構模型，來進一步分析其多勢壘電子隧穿機制。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，由于實驗采用的是N型重摻雜單晶硅片作為襯底，故費米能級(EF)進入導帶。根據課題組對同實驗條件下制備的單層a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜樣品測量的光吸收譜，可估算出單層a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜的光學帶隙約為1.8和2.5 eV，通過計算，可以得到兩種單層薄膜材料之間的帶邊失調值約為0.4 eV[11]。根據有效質量近似，可估算出多層薄膜樣品中a-Si∶H勢阱層中可容納兩個量子化能級，如圖3中標注的E1和E2。

圖3 不同負偏壓下a-Si∶H/a-SiC∶H多層膜樣品的能帶示意圖

在對多層薄膜樣品施加負偏壓時，其能帶結構會發(fā)生傾斜，如圖3(b)所示。當注入的電子能量與第一個a-Si∶H勢阱中容納的第一個量子化能級E1發(fā)生共振時，電子將穿過勢壘層的限制，產生第一次電子共振隧穿過程，此時對應樣品I-V曲線中負偏壓為2.04 V時的電流峰。當樣品上施加的負偏壓繼續(xù)增大時，其能帶將會發(fā)生更大程度的傾斜。此時，當能帶的傾斜程度導致第一個勢阱中的基態(tài)能級E1與第二個勢阱中的第二量子化能級E2發(fā)生能量共振時，第一個勢阱中E1能級上的電子將隧穿到第二個勢阱中空的第二量子化能級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E1，其過程如圖3(c)中所示。此時，對應樣品I-V曲線中負偏壓為4.84 V時的電流峰。

由于在本實驗中，制備的多層薄膜樣品的勢壘層和勢阱層厚度相同，可以認為電子共振隧穿結構模型符合對稱雙勢壘結構。對稱雙勢壘結構的隧穿電流密度表達式如

(1) 其中，TB是單勢壘的透射系數，Eτ是量子阱中量子化能級相對于阱底的能量，EF,e是發(fā)射極的費米能級。通過上文中對樣品中電子多勢壘順序共振隧穿機制的分析可知，第一次電子共振隧穿過程的形成是通過勢阱中的第一量子化能級E1而產生，而形成第二次共振隧穿過程要借助勢阱中的第二量子化能級E2。由于E2比E1距勢阱底更遠，因此第二次共振隧穿過程與第一次相比Eτ值更大。根據式(1)可知，Eτ值的增加會導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了較大幅度的增長。

2.3 光吸收特性

圖4示出了不同勢阱層厚度的多層膜樣品光吸收系數，其中a-Si∶H勢阱層厚度為2～10 nm逐漸增加，a-SiC∶H勢壘層厚度固定為5 nm不變?？梢缘弥?，勢阱層厚度大于8 nm時，樣品的光吸收系數沒有發(fā)生較大變化。當勢阱層厚度小于8 nm，樣品的光吸收系數隨著阱層a-Si∶H厚度的減小而減小，樣品的光吸收邊發(fā)生了明顯的藍移現象[13]，這是非晶態(tài)多層膜超晶格結構的量子尺寸效應[14]的主要表現之一，這種效應可以利用二維周期方勢阱模型來進一步說明。

圖4 不同勢阱層厚度多層膜樣品的光吸收系數曲線

對于多層納米薄膜超晶格結構，當勢阱層的厚度減小到接近電子的德布羅意波長時，勢阱層中的能量將發(fā)生量子化，勢阱中的能帶將不再連續(xù)，進而分裂成量子化的能級，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方向將受到勢阱的限制，而在x和y平面內電子仍具有自由電子的性質，此時電子的總能量等于平行子層界面(即x、y平面)方向所具有的動能E(x,y)和量子能級上的能量En之和，表達式[12]如下所示

(2)

3 結 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對樣品的微結構進行了表征，利用相關測試手段，分析了樣品垂直方向的電子輸運特性和光吸收特性。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構，各子層中未發(fā)現明顯的結晶成分。室溫條件下，在對子層厚度為2 nm 的多層薄膜樣品縱向I-V特性測試中發(fā)現，當外加電壓高于2.04和4.94 V時，呈現出多勢壘超晶格結構的順序共振隧穿輸運特性。通過對樣品的光吸收特性分析可知：當勢阱層a-Si∶H薄膜厚度由8 nm逐漸減小時，由于量子尺寸效應，樣品的光學帶隙展寬、光吸收邊出現藍移。

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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

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(61204079)；河北省自然科學基金資助項目(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，從事硅基納米結構光電信息薄膜材料研究。

O484.1

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.028