利用硼磷共摻提高納米硅材料中的磷摻雜濃度的方法技術

利用硼磷共摻技術提高納米硅基薄膜中磷的摻雜濃度效率的方法，步驟如下：1)利用PECVD制備摻雜納米硅/二氧化硅多層膜材料；2)通過交替進行非晶硅層沉積/原位氧化兩個過程，能夠獲得摻雜納米硅/二氧化硅(a?Si/SiO2)多層膜材料；控制非晶硅層沉積/原位氧化的時獲得a?Si/SiO2多層膜的厚度；3)對制備的a?Si/SiO2多層膜進行脫氫處理；4)脫氫后對進行氮氣氛圍下的高溫退火處理，使多晶硅結晶形成納米硅，并激活雜質原子進入納米硅內部，實現納米硅的摻雜；制備成共摻雜的納米硅/二氧化硅多層膜。

Method for increasing phosphorus doping concentration of nano silicon material by using boron and phosphorus

Step method, technology to improve the efficiency of the doping concentration of Co doped nanocrystalline silicon films using phosphorus boron and phosphorus are as follows: 1) preparation of doped NC Si / SiO2 multilayer materials using PECVD system; 2) of amorphous silicon layer deposited in situ oxidation / two process can be obtained by alternately, doped nanocrystalline silicon / silicon dioxide (a) Si/SiO2 multilayer materials; control of amorphous silicon layer deposited in situ oxidation of a / Si/SiO2 multilayer film thickness; 3) of a Si/SiO2 multilayers prepared by dehydrogenation treatment; 4) after high temperature annealing of dehydrogenation under nitrogen atmosphere, the crystallization of nano silicon and polycrystalline silicon. The activation of impurity atoms into the nano silicon, realize nanometer silicon doping; preparation of nano silicon / Co doped silica film.

【技術實現步驟摘要】
一、
本專利技術提出了一種可以解決納米材料摻雜困難，提高雜質在納米硅中摻雜濃度的方法，尤其是可以通過硼磷共摻技術來提高納米硅基薄膜中磷的有效摻雜濃度的新技術。二、
技術介紹
硅(Si)是當前最重要的一種半導體材料。從20世紀60年代開始，硅材料廣泛應用于微電子、太陽能光伏、半導體集成電路等領域，以硅材料為基礎的半導體工業的發展極大地促進了電子科學和信息技術的發展。隨著半導體工藝和器件的發展，應用于器件的硅材料的尺寸也不斷減小，迄今已進入深亞微米乃至納米尺度，因而對納米硅材料的制備與物理性能的研究就成為當前的一個十分引人關注的領域。對于納米硅材料，由于量子尺寸效應、表面和界面效應等的影響，其呈現出與體硅材料所不同的特性，也因此可以發展出許多基于納米硅材料的新型納電子和光電子學器件。特別是納米硅所具有的優異光電性能、無毒性和與現有體硅技術較好的兼容性，使得其目前在太陽能光伏、發光二極管、光電探測器、生物成像等熱門領域具有很好的應用前景。對于半導體材料而言，能對材料進行有效地摻雜是實現高性能器件的關鍵和基礎。通過摻雜可以調控半導體材料的電子結構及導電類型和導電能力等，并實現pn結等器件基本結構。例如在體硅材料中摻入磷(P),可以獲得n型半導體硅材料；而摻入硼(B)，可以獲得p型半導體硅材料。但和體硅材料所不同的是，對于納米材料，特別是尺寸較小的量子點材料，其存在“自清潔”效應，即納米硅為了保持內部應力和形成能最小，總是傾向于將摻入其中的雜質原子排出到表面或者體外，因此在實驗中實現對納米硅的有效摻雜一直是公認的難題。目前，在理論和實驗上研究人員都對各種摻雜元素，特別是常規的磷和硼雜質，在納米硅中的摻雜行為展開研究。但現有的研究表明，由于量子尺寸效應、量子限域效應和表面效應使納米硅的摻雜行為變得更加復雜，相關雜質很難摻入到納米硅內部，如大部分磷雜質原子占據在納米硅表面上，即納米硅表面存在的缺陷態(懸掛鍵)也會俘獲大部分的雜質磷原子，使得磷在納米硅中的有效摻雜濃度進一步降低，導致相應的較低的摻雜效率。因此如何提高雜質在納米硅中的有效摻雜濃度，在實驗上實現真正意義上的納米半導體的摻雜是納米硅材料進一步實用化的關鍵所在。本專利技術提出了一種提高納米硅基薄膜中磷摻雜濃度效率的新方法，即硼磷共摻技術。基于我們在實現上發現雜質硼原子更傾向于占據納米硅表面態的特性，通過設計制備硼磷共摻的納米硅基材料，利用硼磷共摻體系中，硼原子更傾向于占據表面態的特性，使得硼首先占據納米硅的表面，并鈍化表面的懸掛鍵。而磷原子則更多地能進入納米硅內部，使得有效摻雜濃度提高，相應的導電能力增強。同時，我們在實驗上通過平板電容型射頻感應耦合等離子體增強化學氣相沉積技術制備了相應的材料，發現硼原子確實可以有效地提高磷原子在納米硅的摻雜濃度效率，增強納米硅中的電子濃度。這對于納米硅材料的器件應用有著十分重要的價值和意義。三、
技術實現思路
本專利技術目的是，解決納米硅材料中“自清潔”效應和表面缺陷態引起的雜質難摻雜且摻雜濃度較低等重點和難點問題；提出利用硼磷共摻提高納米硅材料中的磷摻雜濃度的方法，尤其是在低維半導體材料中提高雜質的有效摻雜濃度，實現有效可控摻雜，解決如納米硅材料中雜質分布、相對能級位置等。本專利技術的技術方案是，利用硼磷共摻技術提高納米硅中磷的摻雜濃度效率的方法，即納米硅中硼磷共摻提高摻磷摻雜濃度即硼磷共摻納米硅基薄膜的制備，步驟如下：1)利用PECVD制備摻雜納米硅/二氧化硅多層膜材料；生長摻雜納米硅薄膜時通入硅烷(SiH4)在硅片上進行非晶硅層沉積，同時通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以實現硼磷共摻雜，并改變摻雜氣體流量以獲得不同的摻雜濃度(氣體標稱濃度)；生長納米硅層膜材料，關閉硅烷和摻雜氣體，通入氧氣(O2)進行原位氧化納米硅獲得二氧化硅層；2)通過交替進行非晶硅層沉積/原位氧化兩個過程，能夠獲得摻雜(雜質共摻)納米硅/二氧化硅(a-Si/SiO2)多層膜材料；控制非晶硅層沉積/原位氧化的時獲得a-Si/SiO2多層膜的厚度；3)對制備的a-Si/SiO2多層膜進行脫氫處理；4)脫氫后對進行氮氣氛圍下的高溫退火處理，使多晶硅結晶形成納米硅，并激活雜質原子進入納米硅內部，實現納米硅的摻雜；經過以上步驟就能夠制備共摻雜的納米硅/二氧化硅多層膜。脫氫處理指對多層膜進行450±30℃的脫氫處理0.5-3h，PECVD工藝中，CVD整個過程中保持射頻頻率為13.56MHz,功率為50W，生長溫度為250±30℃；脫氫處理后，高溫退火處理在氮氣氛圍下對樣品進行0.5-3小時的800-1000℃高溫退火處理；期間通入氫氣稀釋到的1％vol磷烷和氫氣稀釋的1vol％硼烷以實現硼磷共摻雜，磷烷與硼烷的體積比為1：0.5～2，改變磷烷、硼烷流量可以獲得不同摻雜濃度(氣體標稱濃度)的非晶硅層。在高溫退火過程中，非晶硅受熱晶化形成納米硅的同時，雜質原子也受熱運動，但在納米硅“自清潔”和表面效應等的作用下，相關雜質很難摻入到納米硅內部，且納米硅表面缺陷也可“捕獲”大部分磷原子，使得納米硅中的磷的有效摻雜濃度降低，導致相應較低的摻雜效率。本專利技術利用PECVD和高溫退火技術制備了硼磷共摻的納米硅材料，利用硼原子去占據納米硅的表面，鈍化表面的懸掛鍵，減小表面效應和“自清潔”的影響，使得雜質磷原子更多地進入到納米硅內部，進而實現磷有效摻雜濃度的提高，和相應的參與導電的電子濃度的增加。1.利用低溫電子自旋共振吸收譜(ESR)估算納米硅多層膜中的未配對電子濃度采用電子自旋共振波譜儀對不同雜質摻雜的多層膜在超低溫下進行精確測試，得到了其在中心強磁場附近的共振吸收譜線。在外磁場中，電子受到磁場的作用:對電子自旋向上和自旋向下兩種狀態的能量差ΔE＝gμbB。如果在垂直于B的方向提供一個固定頻率的微波，在不同強磁場B下，當微波能量hv滿足hv＝gμbB，電子會產生塞曼分裂，從低能態躍遷到高能態，產生共振吸收。根據公式：hv＝gμbB，可計算得到特征因子g＝hv/μbB。對于一般物質，由于未成對電子的g值受到其所在的分子結構和自旋-軌道耦合作用的影響，可以通過g值的變化來了解局域的分子結構信息。在常溫ESR測試中，納米硅中的電子受到較強的散射作用，其電子自旋共振吸收信號非常微弱，且常溫時儀器噪聲會干擾探測的信號，造成ESR信號不易被探測，且測得的信號易失真。然而在低溫情況下，電子受到的散射會明顯減弱，且儀器噪聲較小，采用低溫電子自旋共振技術可更精確地探測納米硅的ESR信號，更準確地深入分析納米硅微觀結構信息。對測試得到的ESR共振吸收譜線在磁場范圍內進行二重積分后(∫∫f(B)dB),其所得函數在B范圍內取得的最大值既是納米硅基薄膜中未配對的電子濃度。本專利技術中采用PECVD和多層膜限制性晶化技術制備的共摻納米硅材料尺寸均一、摻雜均勻，具有相同的納米微觀結構，因此采用低溫電子自旋共振技術可精確地得到納米硅材料中的結構信息。本專利技術的機理是，制備硼磷共摻的納米硅材料，利用硼去占據納米硅的表面，鈍化表面的懸掛鍵。這會使得原本占據在表面的雜質磷原子更多地進入到納米硅內部，進而實現磷摻雜濃度效率的提高，和相應的參與導電的電子濃度的增加。據此，在實驗上，我們利用平板電容型射本文檔來自技高網...

【技術保護點】
利用硼磷共摻技術提高納米硅基薄膜中磷的摻雜濃度效率的方法，其特征是步驟如下：1)利用PECVD制備摻雜納米硅/二氧化硅多層膜材料；生長摻雜納米硅薄膜時通入硅烷(SiH4)在硅片上進行非晶硅層沉積，同時通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以實現硼磷共摻雜，并改變摻雜氣體流量以獲得不同的摻雜濃度；生長納米硅層膜材料，關閉硅烷和摻雜氣體，通入氧氣(O2)進行原位氧化納米硅獲得二氧化硅層；2)通過交替進行非晶硅層沉積/原位氧化兩個過程，能夠獲得摻雜納米硅/二氧化硅(a?Si/SiO2)多層膜材料；控制非晶硅層沉積/原位氧化的時獲得a?Si/SiO2多層膜的厚度；3)對制備的a?Si/SiO2多層膜進行脫氫處理；4)脫氫后對進行氮氣氛圍下的高溫退火處理，使多晶硅結晶形成納米硅，并激活雜質原子進入納米硅內部，實現納米硅的摻雜；經過以上步驟就能夠制備共摻雜的納米硅/二氧化硅多層膜。

【技術特征摘要】
1.利用硼磷共摻技術提高納米硅基薄膜中磷的摻雜濃度效率的方法，其特征是步驟如下：1)利用PECVD制備摻雜納米硅/二氧化硅多層膜材料；生長摻雜納米硅薄膜時通入硅烷(SiH4)在硅片上進行非晶硅層沉積，同時通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以實現硼磷共摻雜，并改變摻雜氣體流量以獲得不同的摻雜濃度；生長納米硅層膜材料，關閉硅烷和摻雜氣體，通入氧氣(O2)進行原位氧化納米硅獲得二氧化硅層；2)通過交替進行非晶硅層沉積/原位氧化兩個過程，能夠獲得摻雜納米硅/二氧化硅(a-Si/SiO2)多層膜材料；控制非晶硅層沉積/原位氧化的時獲得a-Si/SiO2多層膜的厚度；3)對制備的a-Si/SiO2多層膜進行脫氫處理；4)脫氫后對進行氮氣氛圍下的高溫退火處理，使多晶硅結晶...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐駿，李東珂，陸鵬，李偉，翟穎穎，陳坤基，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32