快速光热退火制备硅基锗薄膜的机理研究

作者:王从杰;陈诺夫;魏立帅;陶泉丽;贺凯;张航;白一鸣;陈吉堃 刊名:功能材料 上传者:金叶

【摘要】采用磁控溅射技术首先在单晶硅衬底上溅射石墨缓冲层,然后在石墨层上溅射沉积 Ge 薄膜.采用快速光热退火和常规热退火对Ge薄膜后续处理.通过X射线衍射及 Raman 光谱测试,研究不同退火条件下薄膜的晶化情况,揭示了光子在薄膜晶化中的作用.研究表明,光量子效应对锗薄膜晶化既有晶化作用,也有退晶化作用.

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文章编号:1001-9731(2018)04-04179-05 快速光热退火制备硅基锗薄膜的机理研究∗ 王从杰1,陈诺夫1,魏立帅1,陶泉丽1,贺 凯1,张 航1,白一鸣1,陈吉堃2 (1.华北电力大学 可再生能源学院,北京 102206;2.北京科技大学 材料学院,北京 100083) 摘 要: 采用磁控溅射技术首先在单晶硅衬底上溅射石墨缓冲层,然后在石墨层上溅射沉积 Ge 薄膜.采用快 速光热退火和常规热退火对Ge薄膜后续处理.通过X射线衍射及 Raman 光谱测试,研究不同退火条件下薄膜 的晶化情况,揭示了光子在薄膜晶化中的作用.研究表明,光量子效应对锗薄膜晶化既有晶化作用,也有退晶化作用. 关键词: 硅基锗薄膜;常规热退火;快速光热退火;光量子效应 中图分类号: TN304.12;TM914.4 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2018.04.033 0 引 言 Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池在光伏太阳电池中具有最 高的转换效率,其中以 Ge 单晶为衬底生长的三结太 阳电池GaInP/GaInAs/Ge在聚光条件下转换效率达 到了 41.6%,成为目前叠层太阳电池中研究的重点. 但Ge矿藏量稀少、资源匮乏.如果能够以储量丰富 的硅单晶作为生长 GaInP/GaInAs/Ge 叠层太阳电池 的衬底材料,不但可以降低制造成本,还可以解决原材 料不足的问题.但是 Si 和 Ge 之间的晶格失配达到 4.18%[1],热失配达到52.91%[2].如果直接在Si衬底 上生长Ge薄膜,则Si、Ge交界面处的大晶格失配和热 失配会产生大量位错[3-5],在后续退火晶化过程中 Ge 薄膜极易发生脱落[6].因此,如何在 Si 衬底上制备出 高质量的Ge薄膜仍然是一个难题[7-9].采用缓冲层可 以有效地缓解 Si 和 Ge 之间由于晶格失配产生的应 力,把位错集中于缓冲层之中,提高锗薄膜的晶化质 量[10-12].由于石墨耐高温、易导电、热膨胀系数介于 Si 和Ge之间,是一种很好地缓冲层材料[6]. 常规热退火[13](CTA)是一种应用最早、最直接的 晶化技术,这种技术设备简单、工艺成熟,但是薄膜晶 化周期长.快速光热退火[14-15](RTA)技术作为固相 晶化的一种方法也常常被用于薄膜材料的晶化.相比 于CTA,RTA技术具有操作简单、快速、薄膜晶化效 果好等优点.近年来 RTA 技术发展迅速,国内外许 多研究小组都在对这项技术进行积极研究[16-19].大部 分的研究认为RTA技术晶化薄膜是光量子效应与热 效应共同作用的结果[17-20].本文以石墨作为缓冲层在 单晶硅衬底上生长 Ge 薄膜,通过分析不同退火条件 下Ge薄膜的晶化情况,进一步研究了 RTA 技术晶化 Ge薄膜的机理. 1 实 验 采用JB-550A型高真空射频磁控溅射系统在单晶 硅片上,首先沉积石墨缓冲层,然后在石墨缓冲层上再 沉积Ge薄膜.在沉积之前,先将P-Si(100)硅片(电阻 率为5Ω·cm)按标准的 RCA 清洗,然后用高纯氮气 吹干,置于磁控溅射主腔室准备沉积石墨缓冲层及 Ge 薄膜.磁控溅射主腔室本底真空优于5×10-5 Pa.石 墨缓冲层采用直流溅射,溅射气压为 0.5 Pa,Ar 气流 量为50mL/min,溅射功率为60W,衬底温度为常温, 时间2 h;Ge 薄膜采用射频溅射,溅射气压为 0.8 Pa, Ar气流量为 50 mL/min,溅射功率为 100 W,衬底温 度为常温,时间为2 h.以氮气为保护气体,采用常规 热

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