β-FeSi2半導(dǎo)體薄膜制備及其光電性能研究.pdf

1、β-FeSi2是一種具有（準(zhǔn)）直接帶隙的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為0.85 eV，在1300 nm光吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1，比晶硅材料高兩個(gè)數(shù)量級以上，因此230 nm就可實(shí)現(xiàn)對太陽光近紅外波段的充分吸收。β-FeSi2通過摻雜還可以實(shí)現(xiàn)其 p型導(dǎo)電和 n型導(dǎo)電，滿足太陽能電池材料電學(xué)性能的基本要求。再加上其原料充足、環(huán)境友好、穩(wěn)定耐用，而被稱為環(huán)保型半導(dǎo)體，也是繼 Si和 GaAs之后的第三代半導(dǎo)體。
　　本文采用遠(yuǎn)源等離子體

2、濺射（HiTUS）Fe-Si組合靶的方法，通過快速熱退火，在Si(111)襯底上制備了低缺陷、高質(zhì)量的單相納米晶β-FeSi2薄膜，并對其性能進(jìn)行了表征和分析，結(jié)論如下：
　　1、β-FeSi2薄膜制備
　　(1)通過控制Fe-Si組合靶中Fe與Si的原子比例，可有效控制沉積薄膜的成分。當(dāng)Fe:Si比例調(diào)整為1:4和1:5時(shí)，經(jīng)過高溫快速退火后，均可形成單相多晶β-FeSi2薄膜，屬于納米晶結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)明顯擇優(yōu)取向。

3、　　(2)退火溫度對β-FeSi2薄膜的物相結(jié)構(gòu)有極大影響。研究表明，未經(jīng)退火或者退火溫度不高于400℃時(shí)，制備的薄膜樣品均為非晶β-FeSi2；當(dāng)退火溫度提高到500℃時(shí)，非晶β-FeSi2薄膜出現(xiàn)一定結(jié)晶趨勢；當(dāng)退火溫度提高到600℃以上時(shí)，制備的薄膜樣品均為多晶β-FeSi2薄膜，并出現(xiàn)明顯擇優(yōu)取向。
　　(3)采用場發(fā)射掃描電鏡觀察薄膜樣品的表面形貌，明顯看出β-FeSi2薄膜樣品表面連續(xù)、均勻，無明顯缺陷存在。
　

4、　(4)對β-FeSi2薄膜樣品進(jìn)行納米壓痕力測試，可以看出薄膜樣品力學(xué)性能優(yōu)越，具備較高的耐磨性和穩(wěn)定性，可有效延長半導(dǎo)體材料的使用壽命。
　　2、β-FeSi2薄膜光電性能
　　(1)不同條件下制備的β-FeSi2薄膜樣品，均與Al電極形成良好的歐姆接觸。β-FeSi2薄膜的電阻率都隨著退火溫度的變化而變化，并在退火溫度達(dá)到600℃時(shí)發(fā)生突變。當(dāng)退火溫度不高于500℃時(shí)，非晶β-FeSi2薄膜電阻率變化不大；當(dāng)退火溫度提

5、高到600℃以上時(shí)，由于薄膜晶化，電阻率大幅提高，并隨著退火溫度的升高而不斷增大。
　　(2)β-FeSi2薄膜樣品的載流子濃度和霍爾遷移率隨著退火溫度的變化而發(fā)生變化。當(dāng)退火溫度不高于500℃時(shí)，非晶β-FeSi2薄膜樣品載流子濃度較高，但霍爾遷移率比較低；當(dāng)退火溫度提高到600℃以上時(shí)，由于薄膜晶化，載流子濃度和霍爾遷移率均發(fā)生突變，前者大幅降低，后者有所提高。另外，β-FeSi2薄膜經(jīng)過較低溫度退火后（不高于600℃），均形

6、成p型半導(dǎo)體；當(dāng)退火溫度提高到700℃和800℃時(shí)，β-FeSi2薄膜導(dǎo)電類型發(fā)生改變，均變?yōu)閚型半導(dǎo)體。其中， Fe:Si比例為1:5時(shí)，經(jīng)過800℃快速退火獲得的β-FeSi2薄膜樣品電學(xué)性能最為優(yōu)異，是載流子濃度為4.05×1017 cm-3、遷移率為21.01 cm2/V·s的n型半導(dǎo)體。
　　(3)根據(jù)工藝不同，獲得的β-FeSi2薄膜樣品的禁帶寬度介于0.72 eV和0.85 eV之間，光學(xué)結(jié)晶度和載流子濃度是影響β-

7、FeSi2半導(dǎo)體材料光電性能的主要因素。當(dāng)Fe:Si比例為1:5時(shí)，經(jīng)過800℃快速退火獲得的β-FeSi2薄膜具有最大的直接帶隙，其禁帶寬度為0.85 eV，與硅半導(dǎo)體材料能帶匹配最好，更符合薄膜太陽電池對半導(dǎo)體材料光電性能的要求。
　　綜上所述，本文采用HiTUS成功制備出非晶和納米晶β-FeSi2薄膜，且薄膜樣品表面連續(xù)、成膜均勻、力學(xué)性能優(yōu)越。當(dāng)Fe:Si比例為1:5時(shí)，經(jīng)過800℃快速退火獲得的β-FeSi2薄膜光電性能