蒋 冰，丁 宁，陈乙豪，马 蕾

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)



a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜的光、电特性研究*

蒋 冰，丁 宁，陈乙豪，马 蕾

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

采用射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，以SiH4、CH4和H2为反应气体，在单晶硅和石英衬底上制备a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜。利用透射电子显微镜(TEM)对样品的微结构进行了表征，同时对其电子输运性质和光吸收特性进行了实验研究。结果表明，本实验条件下制备的多层薄膜样品为非晶态多层薄膜结构，并且样品具有良好的周期性结构和陡峭的界面特性。室温条件下，样品在垂直方向上呈现出多势垒顺序共振隧穿特性。由于量子限制效应，当a-Si∶H势阱层厚度<8 nm，随着势阱层厚度减小，样品的光学带隙增大，光吸收系数减小。

PECVD；多层薄膜；微结构特征；电子输运性质；光吸收特性

0 引 言

早在1970年，esaki等[1]就提出了多势垒超晶格结构的设计思想。随后，kazarinov等[2-3]通过对多势垒超晶格结构垂直方向上电子输运过程的理论研究，提出了顺序共振隧穿的概念。1987年，pereyra等[4]在实验中观察到了氢化非晶硅/氢化非晶碳化硅(a-Si∶H/a-SiC∶H)双势垒结构中电子在垂直输运过程中的共振隧穿现象，为a-Si∶H基超晶格中电子输运性质的理论研究和实际应用都提供了宝贵的实验依据。利用共振隧穿效应可制作出各种共振隧穿和电荷存储器件[5-7]，由于其具有体积小、低功耗、高频、高速的优点，在高速和低功耗电路领域展现出广阔的应用前景。

另一方面，由于多层纳米薄膜超晶格结构中势阱层具有不同的光学带隙，以这种结构作为吸收层的多结叠层新概念太阳电池，可以有效地增加太阳光谱的吸收范围，提高光电转换效率。Tao等[8]将磁控溅射和高温退火工艺相结合制备了纳米硅/二氧化硅(nc-Si/SiO2)超晶格结构，通过分析证明，制备样品时采用不同的衬底温度会对样品的电子输运和光吸收特性产生较大的影响。Perez等[9]制备了以nc-Si/SiO2超晶格构成的异质结太阳电池，得到了492 mV的开路电压。Cao等[10]以纳米硅/碳化硅(nc-Si/SiC)多层结构作为本证吸收层制备了异质结太阳电池，得到3.74%的光电转换效率。近年来，对半导体多层薄膜结构的光、电特性研究取得了较大进展，但仍有一些问题需要进行深入的探索和研究。例如，非晶态超晶格材料是典型的非晶态多层体系，由于多层薄膜各子层之间的界面增多，因此导致整个多层结构体系的缺陷态密度增大，有序度降低，因此影响其光、电特性。另一方面，与晶态超晶格结构相比，非晶态超晶格材料无序并且富含氢，在高温和强光照射条件下，由于内部氢原子的扩散而进一步增大了材料的缺陷态密度，导致制备的器件性能较不稳定。此外，由于SiC具有光学带隙宽、电子迁移率高和抗辐射能力强等优良特性，近年来在大功耗、高温、抗辐射光电集成器件制造领域得到了广泛应用。因此，对Si/SiC多层薄膜超晶格结构材料的光、电特性进行深入研究具有重要意义。

本文采用PECVD系统，制备多周期的a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜样品，并利用TEM对样品的微结构进行了表征。然后，对样品在垂直方向的电子输运性质和光吸收特性进行了分析研究。

1 实 验

利用等离子体化学气相沉积(PECVD)系统，以H2作为稀释气体，交替通入SiH4和CH4的混合气体，通过控制CH4气体的通断，分别在石英和单晶硅衬底上交替生长a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜样品。反应室压强60 Pa，射频功率密度250 mW/cm2，衬底温度250 ℃，气体混合比例H2∶SiH4∶CH4=60∶1∶4。

利用TEM观测了制备的多层薄膜样品的微结构特征, 利用紫外-可见-近红外分光光度计测量了多层膜样品的反射谱和透射谱, 通过计算得到样品的光吸收系数。利用磁控溅射工艺，将顶层Ag电极沉积在多层薄膜样品表面，背极Ag电极直接溅射在高掺杂的单晶硅衬底背表面上，形成Ag电极/(a-Si∶H/a-SiC∶H)多层膜/单晶硅/Ag电极结构。在室温无光照条件下，利用Keithley 4200测试该样品在垂直方向上的I-V特性。

2 结果与讨论

2.1 微结构表征

图1中示出了制备的具有6个周期结构的a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜样品的剖面TEM照片，图1(a)为a-Si∶H势阱层厚度5 nm，a-SiC∶H势垒层厚度25 nm多层薄膜样品的微结构照片，其中黑色区域为单晶硅片衬底，颜色较深的区域为a-Si∶H势阱层，颜色较浅的为a-SiC∶H势垒层。可以看出，制备的a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜样品具有良好的周期性结构，并且各子层薄膜之间界面特性陡峭，子层厚度与实验设计尺寸吻合良好。图1(b)为本样品的HRTEM照片，中间部分颜色较深的部分为a-Si∶H势阱层，可以看出，在样品的势阱层和势垒层中没有发现明显的结晶成分，样品为非晶态多层薄膜结构。

图1 a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜的剖面TEM照片

2.2 载流子输运特性

图2示出了，制备的a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜在室温条件下典型的I-V特性曲线，本实验中被测样品的势阱层和势垒层厚度均为2 nm。从图2可以发现，在样品的I-V曲线中可以观察到两个明显的电流峰，电流峰值分别对应2.04和4.94 V的负偏压。通过对样品的微分电导进行了计算可以发现，样品电流峰值所对应的微分电导dI/dV=0，而当负偏压值继续增加时，dI/dV<0，显现出了负微分电导特征，样品的电子输运方式呈现出多势垒超晶格顺序共振隧穿输运特征。

图2 a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜样品的室温下I-V曲线

为了深入分析样品的电子输运过程，建立如图3所示的多势垒能带结构模型，来进一步分析其多势垒电子隧穿机制。如图3所示，图3(a)为零偏压下的多层膜样品的能带示意图。室温条件下，单晶硅的禁带宽度为1.12 eV，由于实验采用的是N型重掺杂单晶硅片作为衬底，故费米能级(EF)进入导带。根据课题组对同实验条件下制备的单层a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜样品测量的光吸收谱，可估算出单层a-Si∶H、a-SiC∶H薄膜的光学带隙约为1.8和2.5 eV，通过计算，可以得到两种单层薄膜材料之间的带边失调值约为0.4 eV[11]。根据有效质量近似，可估算出多层薄膜样品中a-Si∶H势阱层中可容纳两个量子化能级，如图3中标注的E1和E2。

图3 不同负偏压下a-Si∶H/a-SiC∶H多层膜样品的能带示意图

在对多层薄膜样品施加负偏压时，其能带结构会发生倾斜，如图3(b)所示。当注入的电子能量与第一个a-Si∶H势阱中容纳的第一个量子化能级E1发生共振时，电子将穿过势垒层的限制，产生第一次电子共振隧穿过程，此时对应样品I-V曲线中负偏压为2.04 V时的电流峰。当样品上施加的负偏压继续增大时，其能带将会发生更大程度的倾斜。此时，当能带的倾斜程度导致第一个势阱中的基态能级E1与第二个势阱中的第二量子化能级E2发生能量共振时，第一个势阱中E1能级上的电子将隧穿到第二个势阱中空的第二量子化能级E2上，并且通过发射声子的方式，使电子从E2非辐射弛豫到基态能级E1，其过程如图3(c)中所示。此时，对应样品I-V曲线中负偏压为4.84 V时的电流峰。

由于在本实验中，制备的多层薄膜样品的势垒层和势阱层厚度相同，可以认为电子共振隧穿结构模型符合对称双势垒结构。对称双势垒结构的隧穿电流密度表达式如

(1) 其中，TB是单势垒的透射系数，Eτ是量子阱中量子化能级相对于阱底的能量，EF,e是发射极的费米能级。通过上文中对样品中电子多势垒顺序共振隧穿机制的分析可知，第一次电子共振隧穿过程的形成是通过势阱中的第一量子化能级E1而产生，而形成第二次共振隧穿过程要借助势阱中的第二量子化能级E2。由于E2比E1距势阱底更远，因此第二次共振隧穿过程与第一次相比Eτ值更大。根据式(1)可知，Eτ值的增加会导致形成的共振隧穿电流密度增大，因此发生第二次共振隧穿的电流峰值与第一次共振隧穿电流峰值相比出现了较大幅度的增长。

2.3 光吸收特性

图4示出了不同势阱层厚度的多层膜样品光吸收系数，其中a-Si∶H势阱层厚度为2～10 nm逐渐增加，a-SiC∶H势垒层厚度固定为5 nm不变。可以得知，势阱层厚度大于8 nm时，样品的光吸收系数没有发生较大变化。当势阱层厚度小于8 nm，样品的光吸收系数随着阱层a-Si∶H厚度的减小而减小，样品的光吸收边发生了明显的蓝移现象[13]，这是非晶态多层膜超晶格结构的量子尺寸效应[14]的主要表现之一，这种效应可以利用二维周期方势阱模型来进一步说明。

图4 不同势阱层厚度多层膜样品的光吸收系数曲线

对于多层纳米薄膜超晶格结构，当势阱层的厚度减小到接近电子的德布罗意波长时，势阱层中的能量将发生量子化，势阱中的能带将不再连续，进而分裂成量子化的能级，电子在其中将形成驻波[14]。如图4中插图所示，在这种情况下电子在z方向将受到势阱的限制，而在x和y平面内电子仍具有自由电子的性质，此时电子的总能量等于平行子层界面(即x、y平面)方向所具有的动能E(x,y)和量子能级上的能量En之和，表达式[12]如下所示

(2)

3 结 论

利用PECVD系统，以H2作为稀释气体，以SiH4和CH4分别作为硅源和碳源，通过逐层生长的方式在单晶硅和石英衬底上，制备了a-Si∶H/a-SiC∶H多层薄膜，利用TEM对样品的微结构进行了表征，利用相关测试手段，分析了样品垂直方向的电子输运特性和光吸收特性。通过分析研究表明，制备的多层薄膜样品具有陡峭的界面特性和良好的周期性结构，各子层中未发现明显的结晶成分。室温条件下，在对子层厚度为2 nm 的多层薄膜样品纵向I-V特性测试中发现，当外加电压高于2.04和4.94 V时，呈现出多势垒超晶格结构的顺序共振隧穿输运特性。通过对样品的光吸收特性分析可知：当势阱层a-Si∶H薄膜厚度由8 nm逐渐减小时，由于量子尺寸效应，样品的光学带隙展宽、光吸收边出现蓝移。

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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

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61204079)；河北省自然科学基金资助项目(F2013201196)

2015-09-21

2016-01-11 通讯作者：蒋 冰，E-mail: 409283556@qq.com

蒋 冰 (1985-)，男，河北承德人，硕士，工程师，师承彭英才教授，从事硅基纳米结构光电信息薄膜材料研究。

O484.1

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.028