基於共蒸法製備矽納米晶超晶格結構的方法
2023-12-01 01:32:16
專利名稱：基於共蒸法製備矽納米晶超晶格結構的方法
技術領域：
本發明屬於納米加工技術領域，特別是一種具有納米晶體超晶格結構 薄膜的製備方法。
背景技術：
隨著世界人口的急劇增加，礦物能源被逐漸耗盡，對其他非礦物能源
的需求量越來越大。特別是在20世紀70年代爆發石油危機後，太陽能的 利用得到很大的發展。
自1954年貝爾實驗室報導第一個商品化的Si太陽能電池以來，各種 太陽能電池相繼問世。通過數十年來的不斷發展，太陽能電池從第一代的 單晶矽太陽能電池、第二代的薄膜太陽能電池到現在第三代的高效太陽能 電池，其製作成本逐步降低，轉換效率不斷提高。其中第一代第二代太陽 能電池已經在市場上應用；第三代太陽能電池將充分利用納米技術，目前 仍正處於發展中。
納米晶薄膜太陽能電池，是屬於第三代太陽能電池。納米晶的典型尺 寸為1至10納米，包含幾個到幾十個原子，由於荷電載流子的運動在量 子點受到三維的限制，能量發生量子化。量子點具有許多特性，在第三代 太陽能電池的利用中，它將利用可變化的能帶寬度這個特性，達到對太陽 光譜帶的吸收，而非單一波長，這使得量子點太陽能電池可大大提高光電 轉化率，與目前最流行的多晶矽太陽能電池相比，生產能耗可減少20%， 光電效率可增加50%至1倍以上，並大大的降低了昂貴的材料費用。
目前製備納米晶的方法有多種，比如等離子增強化學氣相澱積方法 (PECVD)、低壓化學氣相澱積(LPCVD)方法、離子注入Si到Si02中去的 方法，但這些方法均不能大規模製備納米晶超晶格結構。國際上只有一種 方法製備納米晶超晶格結構-反應SiO蒸發法，這種方法是蒸發一層SiO， 再氧化成Si02，如此反覆形成納米晶超晶格；此法非常繁雜，周期長，只適合於研究使用而不適於批量規模化生產。
發明內容
本發明的目的在於提供一種製備矽納米晶超晶格結構的方法，以用於 第三代太陽能電池。
本發明提出一種基於共蒸法製備矽納米晶超晶格結構的方法，包括如 下步驟
一、 在襯底上生長二氧化矽層；
二、 將矽顆粒和氧化物顆粒的混合物蒸發至所述二氧化矽層上；
三、 將上述樣品置於退火爐進行高溫熱退火。
進一步，其中步驟一所述的襯底為矽片，或為S0I襯底，或為鋼片。 進一步，所述氧化物顆粒為二氧化鉿顆粒，或為三氧化二鋁顆粒，或
為一氧化矽顆粒，或為二氧化鋯顆粒，或為二氧化錳顆粒，或為二氧化鈷顆粒。
進一步，所述矽片或SOI襯底上所生長的二氧化矽為熱氧化生長，所 述鋼片上的生長方式為等離子增強化學氣相澱積方法或者電子束蒸發二 氧化矽。
進一步，所述蒸發為電子束蒸發。
進一步，所述電子束蒸發所用的顆粒直徑尺寸範圍為1毫米到6毫米。 進一步，其中步驟三所述的退火為在氮氣保護氣氛下的高溫熱退火。
本發明將一定尺寸的Si顆粒和二氧化鉿顆粒(或別的氧化物顆粒，見 上述)按一定比例均勻混合,這樣兩種顆粒物均勻混合。電子束蒸發時，電 子槍發出的微小電子束打到這些顆粒上，蒸發一個顆粒再蒸發另一個顆 粒，這樣會形成多層結構；經過退火後會形成納米晶，形成納米晶超晶格 結構。
由於本發明所提供的製備矽納米晶超晶格結構的方法所採用設備均 來自於傳統的半導體製作工藝，因此其很容易與已有的微電子工藝相兼 容，適合於大規模批量生產；本方法所使用的材料如Si、 Si0、 二氧化鉿 等氧化物高介電常數材料，均為微電子工藝中所使用的材料，因此成本低廉，與微電子工藝兼容匹配。在不需要額外投資的情況下，可以使用現有 的成熟設備、技術和材料，實現規模化生產。
圖1是矽襯底上熱氧化形成一層Si02(對應"具體實施方式
"部分的 步驟一)；
圖2是電子束蒸發Si顆粒和二氧化鉿顆粒等混合物(對應"具體實施 方式"部分的步驟二)；
圖3是在氮氣氣氛下退火形成的Si納米晶超晶格結構(對應"具體實 施方式"部分的步驟三)；
圖4是採用本發明製作的樣品的透射電鏡圖像，圖中可看到帶有晶格 條紋的Si納米晶；
圖5是採用本發明製作的樣品的透射電鏡圖像，圖中可看到一層一層 的疊層結構，即超晶格結構。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。 發明的簡單流程如下
步驟一、如圖1所示，通過熱氧化生長技術在矽襯底101上生長二氧 化矽層102;
歩驟二、如圖2所示，通過電子束蒸發的方式在二氧化矽層102上鍍
一層矽和二氧化鉿混合物薄膜201;
步驟三、如圖3所示，將樣品在氮氣保護氣氛下進行高溫熱退火，形 成量子點超晶格結構301。
下面進一步說明本發明的詳細工藝方法和步驟，其中
採用p型、(100)晶向的2寸矽片做襯底，該襯底厚525um,電阻率為 2-3Qcm。具體的工藝步驟如下
(1)將矽片在快速熱氧化爐中90(TC氧化10分鐘，生長緻密的氧化 層；熱氧化時通入氧氣，可以用溼氧的辦法也可以用熱氧的辦法。這取決於熱氧化層的厚度。
(2) 電子束蒸發上矽和二氧化鉿的混合物。其中，混合物由3.5克 的矽顆粒和2 .5克的二氧化鉿顆粒組成，蒸發平均速度為lA/s;這個比
例是經過計算得知的。要形成Si量子點，必須形成富Si的二氧化鉿層， Si和鉿(Hf)的原子比要達到35%;只有這樣在退為時才能有Si通過結晶
-〉成核->生長-〉形成納米晶。
(3) 高溫熱退火，105(TC退火45分鐘。溫度的選擇要足夠高，時間 要足夠長，否則無法形成量子點。Si原子的移動生長需要一定的能量，溫 度足夠高時能提供足夠多的能量，在相當長的時間內，會富集到一起生長 成納米晶。
圖4、圖5均為通過高解析度透射電鏡所觀察到的結果。圖4是標尺 為10nm時的透射電鏡圖，在圖中可以看到晶格條紋，這些晶格條紋是由 於納米晶的晶格結構對電子的衍射形成的，這是證明量子點形成的強有力 證據。圖5則是標尺為50mn時的透射電鏡圖，在圖中可以看到層狀結構。 這個層狀結構恰恰是由二氧化鉿層中夾雜著Si量子點而形成的，這種結構 被稱之為超晶格結構。將圖4和圖5的結果結合起來，便被稱之為量子點 超晶格結構。它是第三代太陽能電池的基本材料構，是核心結構之一。這 樣的結構除了國際上用反應SiO蒸發方法形成外，目前還沒有其它的方法 出現。我們的所有工藝和材料均跟標準的微電子工藝相兼容，完全可以利 用成熟的微電子技術達到快速、批量、高質量的生產，為其在第三代太陽 能電池中的應用奠定了基礎。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所公開的技術範圍內，可輕易想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保 護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種基於共蒸法製備矽納米晶超晶格結構的方法，其特徵在於，包括如下步驟一、在襯底上生長二氧化矽層；二、將矽顆粒和氧化物顆粒的混合物蒸發至所述二氧化矽層上；三、將上述樣品置於退火爐進行高溫熱退火。
2、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，其中步驟一所述的襯 底為矽片，或為S0工襯底，或為鋼片。
3、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述氧化物顆粒為二 氧化鉿顆粒，或為三氧化二鋁顆粒，或為一氧化矽顆粒，或為二氧化鋯顆 粒，或為二氧化錳顆粒，或為二氧化鈷顆粒。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述矽片或SOI襯底 上所生長的二氧化矽為熱氧化生長，所述鋼片上的生長方式為等離子增強 化學氣相澱積方法或者電子束蒸發二氧化矽。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述蒸發為電子束蒸發。
6、 根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述電子束蒸發 所用的顆粒直徑尺寸範圍為1毫米到6毫米。
7、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，其中步驟三所述的退 火為在氮氣保護氣氛下的高溫熱退火。
全文摘要
本發明是一種基於共蒸法製備矽納米晶超晶格結構的方法。本發明的主要特徵是利用電子束蒸發設備在矽襯底上製備疊層矽量子點的方法。其主要步驟包括在矽襯底上熱氧化生長一層絕緣層二氧化矽；用電子束蒸發的方法將矽固體顆粒和二氧化鉿固體顆粒混合物蒸發至絕緣層上；高溫熱退火。採用這種方法製備的量子點顆粒的大小約為3-6nm，可用於單電子器件或單電子存儲器的製作，特別是用於太陽能電池的製作等。這種方法具有工藝步驟少、簡單、穩定可靠、易於大規模製造、能與傳統的微電子工藝兼容的優點。
文檔編號C30B29/68GK101565855SQ20081010475
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者明 劉, 李維龍, 謝常青, 銳 賈, 晨 陳, 陳寶欽 申請人:中國科學院微電子研究所