别是近年来,随着时下人们对笔记本电脑、移动电话等电子信息产品超高的性价比、便携性和低功耗的要求,晶化硅薄膜在廉价、轻质衬底上的快速、低温制备成为目前

　　本论文利用自主设计制造的电感耦合等离子体,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,化学气相沉积,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,装置,研究了在玻璃、塑料等廉价衬底上晶化硅薄膜的低温制备及其生长机制。论文中的主要研究内容

　　●系统研究了利用,,,,,,,制备晶化硅薄膜过程中,,,,稀释率、,,分压、

　　择优结晶取向的硅薄膜。样品具有优良的场发射性能,开启场强约为,,,,,岬。对薄膜生长初期的研究发现,镀铝塑料,,,衬底上高结晶硅薄

　　论文作者签名,专玉尘芷 日 期,塑,垦, , ,圣关于学位论文使用授权的声明

　　,,,,中硅原子的排列从键长和键角上均呈现出无序性【 ,, ,】 ,雌, ,,薄膜中除了

　　尺寸为纳米量级的硅晶粒外,还有相当体分数的非晶成分填充于晶粒间隙间【 ,,

　　,,】 , ,,,,薄膜中硅原子的排列与块体,, ,,类似,只是在一个维度上的尺寸处于,,

　　无序导致了,,,,薄膜中低的载流子迁移率【 ,,】 。特别是,薄膜中大量存在的悬挂键缺陷态使费米能级,,,,,, ,,,,,,被钉扎,导致了掺杂失效【 ,,】 。因此,纯

　　净的,,,,薄膜虽然在理论研究上具有里程碑式的意义,但在应用方面并未表现

　　出与理论研究相匹配的价值。随着辉光放电,,,,,,,,,,,,,,,技术在,,,,制备上的应用,薄膜中的硅悬挂键被等离子体中的原子氢有效饱和, 因悬挂键存在所兰州大学博士学位论文 第一章

　　导致的掺杂失效问题迎刃而解, ,,,,薄膜迎来了应用上的“春天” 【 ,,】 。

　　与,, ,,材料相比,氢化非晶硅,,,,,, ,,薄膜具有以下优点【 ,, ,,, ,,,,,易于大面积薄膜化沉积和原位掺杂,

　　,由于原子氢对悬挂键的有效饱和作用,所制备的,,结的界面缺陷密度低,能够得到品质优良的异质结结构,

　　,原材料丰富、所需衬底温度低,,,,, ,,, ,,,,可以在玻璃、普通塑料

　　目前, ,,,,, ,薄膜已经被广泛地应用在太阳电池、液晶显示驱动电路中的薄

　　膜晶体管、复印机鼓、传感器和摄像管等器件中【 ,, ,,, ,,, ,,】 。

　　需要指出的是, 由于,,,,, ,薄膜的热力学亚稳态特征,除了前面提及的载

　　晶化硅薄膜的电子迁移率比较高,满足了下一代主动矩阵平板显示,,,,,,,,,,,,,

　　在大功率器件中的应用【 ,】 。 同时,与其它形式的硅薄膜相比,肛, ,,, ,薄膜在可

　　图,, ,晶化硅薄膜太阳电池的开路电压与晶粒尺寸的关系图,虚线表示了晶化硅薄膜晶

　　见光低频段具有高的光吸收系数,见图,, ,,,有利于提高对太阳光的有效吸收和提高太阳电池效率【 ,,,。与,, ,,太阳电池约,,,岬的厚度相比, ,岬厚的

　　邮, ,,, ,薄膜就足以完成对太阳光的有效吸收,所制备的电池效率已达到,,, ,,

　　【 ,,,。 同时,理论计算表明, 即使是以几个微米厚度的即, ,,, ,薄膜作为本征层,获得超过,,,的电池效率也是可能的,,,】 。 ,,,,, ,,薄膜具有更大的晶粒和更为有序的微结构。因此,其载流子迁移率也比较高。开路电压是评价太阳电池的一

　　有较高的品质。 图,, ,总结了世界知名太阳电池制造商和研究机构开发的晶化硅

　　太阳电池的开路电压与晶粒尺寸间的关系【 ,,】 。能够准确的看出,随着,,,,, ,,薄膜晶粒尺寸的增加,太阳电池开路电压亦增加。其原因主要在于随着晶粒尺寸的增大, 晶

　　的散射及俘获【 ,,】 。值得一提的是,开路电压并非随着晶粒尺寸的减小而单调

　　降低, 当晶粒尺寸为,,量级时,用相应材料制备的太阳电池同样具有较大的开

　　路电压。这是因为此时晶粒间界为,,,,, ,所填充,有效地降低了晶粒间界处的

　　图,, ,传统电容耦合等离子体,,,过程中晶化硅薄膜表面粗糙度与晶粒尺寸间的关系

　　但其表面粗糙度一般比较大,,,—,,,。 图,, ,给出了传统电容耦合等离子体化学

　　糙度相比, 晶化硅薄膜具有高的表面粗糙度,且随晶粒尺寸增加表面粗糙度亦呈

　　图,, ,叠层硅薄膜太阳电池的实物图,,,和结构示意图及光吸收效率谱,,, ,引自,

　　一定的困难。 同时, 由于对可见光响应范围的不同, ,,,,薄膜和晶化硅薄膜对太阳光能量的有效吸收范围不同。例如, ,,,,薄膜仅能够对波长小于,,,姗的光

　　有效吸收,不足太阳光谱全波段总能量的,,,。因此,其理论转换效率仅为,,,

　　【 ,,。与,,,,薄膜相比, 晶化硅薄膜在长波段具有较高的吸收系数。为了有效地

　　吸收太阳光, 目前电池的设计以“叠层,,,,,,,,”或“复合型”为主要思路,,,,

　　,,,。 图,, ,为下一代硅薄膜叠层太阳电池的实物图,,,及其断面结构示意图和对太阳光的吸收效率谱,,,。位于顶层的,,,,薄膜单电池和底层的晶化硅薄膜

　　单电池将分别吸收不同波段的光。 同时, 由于顶层的,,,,层厚度较薄,并未观

　　察到光致衰退效应。 图,, ,为面积是, ,,,的,,,,, ,, ,,, ,,薄膜叠层结构太阳电池在,,,, ,和,, ,,测试条件下的,,,特性曲线。能够准确的看出,叠层结构太阳电池具有高的填充因子,,, , ,,,,,,,,,, ,,及开路电压, 电池的效率约为,,, ,,【 ,,】 。

　　法,液相前驱物等, 【 ,,,和更人性化的器件设计,柔性显示等, 【 ,, ,,,相继问世

　　并表现出富有前景的应用价值。 图,, ,分别为由,,,和液相前驱物旋涂方法制

　　图,, ,晶化硅薄膜晶体管的转移特性曲线。晶化硅材料分别由,,,,深色线,和液相前驱

　　器。 ,,,和,,,分别为显示器未弯曲和弯曲情况下的显示效果, ,,,为,,,,,,,薄膜晶体管

　　备的晶化硅薄膜晶体管的转移特性曲线【 ,,,。能够准确的看出,器件拥有非常良好的开关

　　开发的柔性衬底,,,,,,,薄膜晶体管驱动显示器的照片及晶体管制作工艺流程

　　【 ,,,。与传统阴极射线管,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,显示器和目前流行的液晶平板显示器相比,塑料衬底上硅薄膜晶体管驱动显示具有质轻、价廉、便携、耐冲

　　击以及与目前硅工艺兼容等优点【 ,,, ,,,。这一全新的显示概念必将深刻改变未来人们的日常生活,图,, ,,。

　　与上述三种结构的硅薄膜相比, ,, ,,薄膜具有与块体硅相同的物理化学性

　　质,它是,, ,,材料薄膜化的体现,图,, ,,, 【 ,,,。尽管已经利用不一样的手段在不同生长温度下获得了有不同厚度的外延,, ,,薄膜,但由于薄膜制备需要在,, ,,

　　革。总的来说, 目前有关硅薄膜的研究大多分布在在晶化硅薄膜的制备、物性研究

　　重中之重。在本节中,我们将扼要介绍晶化硅薄膜的制备研究现状及所存在问题。

　　是在柔性衬底,特别是塑料衬底上获得高晶化质量薄膜。 目前,塑料衬底上晶化

　　硅薄膜的获得主要通过“转贴” ,,,, ,,, ,,,和,,,,薄膜准分子激光退火晶化技术

　　,,,,,,,,,,, ,,,,,,等直接生长过程相比,转贴技术和激光退火技术在延长了材料制备周期、增加了生产所带来的成本的同时,还降低了成品率。然而,利用,,,,,

　　速的有较高能量的离子,,,,,,对生长表面的轰击是降低薄膜晶化率和产生非晶孕育层的根本原因,详见第二章,。对衬底附近离子密度的有效