利用硼磷共掺提高纳米硅材料中的磷掺杂浓度的方法技术

利用硼磷共掺技术提高纳米硅基薄膜中磷的掺杂浓度效率的方法，步骤如下：1)利用PECVD制备掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜材料；2)通过交替进行非晶硅层沉积/原位氧化两个过程，能够获得掺杂纳米硅/二氧化硅(a‑Si/SiO2)多层膜材料；控制非晶硅层沉积/原位氧化的时获得a‑Si/SiO2多层膜的厚度；3)对制备的a‑Si/SiO2多层膜进行脱氢处理；4)脱氢后对进行氮气氛围下的高温退火处理，使多晶硅结晶形成纳米硅，并激活杂质原子进入纳米硅内部，实现纳米硅的掺杂；制备成共掺杂的纳米硅/二氧化硅多层膜。

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.

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术提出了一种可以解决纳米材料掺杂困难，提高杂质在纳米硅中掺杂浓度的方法，尤其是可以通过硼磷共掺技术来提高纳米硅基薄膜中磷的有效掺杂浓度的新技术。二、
技术介绍
硅(Si)是当前最重要的一种半导体材料。从20世纪60年代开始，硅材料广泛应用于微电子、太阳能光伏、半导体集成电路等领域，以硅材料为基础的半导体工业的发展极大地促进了电子科学和信息技术的发展。随着半导体工艺和器件的发展，应用于器件的硅材料的尺寸也不断减小，迄今已进入深亚微米乃至纳米尺度，因而对纳米硅材料的制备与物理性能的研究就成为当前的一个十分引人关注的领域。对于纳米硅材料，由于量子尺寸效应、表面和界面效应等的影响，其呈现出与体硅材料所不同的特性，也因此可以发展出许多基于纳米硅材料的新型纳电子和光电子学器件。特别是纳米硅所具有的优异光电性能、无毒性和与现有体硅技术较好的兼容性，使得其目前在太阳能光伏、发光二极管、光电探测器、生物成像等热门领域具有很好的应用前景。对于半导体材料而言，能对材料进行有效地掺杂是实现高性能器件的关键和基础。通过掺杂可以调控半导体材料的电子结构及导电类型和导电能力等，并实现pn结等器件基本结构。例如在体硅材料中掺入磷(P),可以获得n型半导体硅材料；而掺入硼(B)，可以获得p型半导体硅材料。但和体硅材料所不同的是，对于纳米材料，特别是尺寸较小的量子点材料，其存在“自清洁”效应，即纳米硅为了保持内部应力和形成能最小，总是倾向于将掺入其中的杂质原子排出到表面或者体外，因此在实验中实现对纳米硅的有效掺杂一直是公认的难题。目前，在理论和实验上研究人员都对各种掺杂元素，特别是常规的磷和硼杂质，在纳米硅中的掺杂行为展开研究。但现有的研究表明，由于量子尺寸效应、量子限域效应和表面效应使纳米硅的掺杂行为变得更加复杂，相关杂质很难掺入到纳米硅内部，如大部分磷杂质原子占据在纳米硅表面上，即纳米硅表面存在的缺陷态(悬挂键)也会俘获大部分的杂质磷原子，使得磷在纳米硅中的有效掺杂浓度进一步降低，导致相应的较低的掺杂效率。因此如何提高杂质在纳米硅中的有效掺杂浓度，在实验上实现真正意义上的纳米半导体的掺杂是纳米硅材料进一步实用化的关键所在。本专利技术提出了一种提高纳米硅基薄膜中磷掺杂浓度效率的新方法，即硼磷共掺技术。基于我们在实现上发现杂质硼原子更倾向于占据纳米硅表面态的特性，通过设计制备硼磷共掺的纳米硅基材料，利用硼磷共掺体系中，硼原子更倾向于占据表面态的特性，使得硼首先占据纳米硅的表面，并钝化表面的悬挂键。而磷原子则更多地能进入纳米硅内部，使得有效掺杂浓度提高，相应的导电能力增强。同时，我们在实验上通过平板电容型射频感应耦合等离子体增强化学气相沉积技术制备了相应的材料，发现硼原子确实可以有效地提高磷原子在纳米硅的掺杂浓度效率，增强纳米硅中的电子浓度。这对于纳米硅材料的器件应用有着十分重要的价值和意义。三、
技术实现思路
本专利技术目的是，解决纳米硅材料中“自清洁”效应和表面缺陷态引起的杂质难掺杂且掺杂浓度较低等重点和难点问题；提出利用硼磷共掺提高纳米硅材料中的磷掺杂浓度的方法，尤其是在低维半导体材料中提高杂质的有效掺杂浓度，实现有效可控掺杂，解决如纳米硅材料中杂质分布、相对能级位置等。本专利技术的技术方案是，利用硼磷共掺技术提高纳米硅中磷的掺杂浓度效率的方法，即纳米硅中硼磷共掺提高掺磷掺杂浓度即硼磷共掺纳米硅基薄膜的制备，步骤如下：1)利用PECVD制备掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜材料；生长掺杂纳米硅薄膜时通入硅烷(SiH4)在硅片上进行非晶硅层沉积，同时通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以实现硼磷共掺杂，并改变掺杂气体流量以获得不同的掺杂浓度(气体标称浓度)；生长纳米硅层膜材料，关闭硅烷和掺杂气体，通入氧气(O2)进行原位氧化纳米硅获得二氧化硅层；2)通过交替进行非晶硅层沉积/原位氧化两个过程，能够获得掺杂(杂质共掺)纳米硅/二氧化硅(a-Si/SiO2)多层膜材料；控制非晶硅层沉积/原位氧化的时获得a-Si/SiO2多层膜的厚度；3)对制备的a-Si/SiO2多层膜进行脱氢处理；4)脱氢后对进行氮气氛围下的高温退火处理，使多晶硅结晶形成纳米硅，并激活杂质原子进入纳米硅内部，实现纳米硅的掺杂；经过以上步骤就能够制备共掺杂的纳米硅/二氧化硅多层膜。脱氢处理指对多层膜进行450±30℃的脱氢处理0.5-3h，PECVD工艺中，CVD整个过程中保持射频频率为13.56MHz,功率为50W，生长温度为250±30℃；脱氢处理后，高温退火处理在氮气氛围下对样品进行0.5-3小时的800-1000℃高温退火处理；期间通入氢气稀释到的1％vol磷烷和氢气稀释的1vol％硼烷以实现硼磷共掺杂，磷烷与硼烷的体积比为1：0.5～2，改变磷烷、硼烷流量可以获得不同掺杂浓度(气体标称浓度)的非晶硅层。在高温退火过程中，非晶硅受热晶化形成纳米硅的同时，杂质原子也受热运动，但在纳米硅“自清洁”和表面效应等的作用下，相关杂质很难掺入到纳米硅内部，且纳米硅表面缺陷也可“捕获”大部分磷原子，使得纳米硅中的磷的有效掺杂浓度降低，导致相应较低的掺杂效率。本专利技术利用PECVD和高温退火技术制备了硼磷共掺的纳米硅材料，利用硼原子去占据纳米硅的表面，钝化表面的悬挂键，减小表面效应和“自清洁”的影响，使得杂质磷原子更多地进入到纳米硅内部，进而实现磷有效掺杂浓度的提高，和相应的参与导电的电子浓度的增加。1.利用低温电子自旋共振吸收谱(ESR)估算纳米硅多层膜中的未配对电子浓度采用电子自旋共振波谱仪对不同杂质掺杂的多层膜在超低温下进行精确测试，得到了其在中心强磁场附近的共振吸收谱线。在外磁场中，电子受到磁场的作用:对电子自旋向上和自旋向下两种状态的能量差ΔE＝gμbB。如果在垂直于B的方向提供一个固定频率的微波，在不同强磁场B下，当微波能量hv满足hv＝gμbB，电子会产生塞曼分裂，从低能态跃迁到高能态，产生共振吸收。根据公式：hv＝gμbB，可计算得到特征因子g＝hv/μbB。对于一般物质，由于未成对电子的g值受到其所在的分子结构和自旋-轨道耦合作用的影响，可以通过g值的变化来了解局域的分子结构信息。在常温ESR测试中，纳米硅中的电子受到较强的散射作用，其电子自旋共振吸收信号非常微弱，且常温时仪器噪声会干扰探测的信号，造成ESR信号不易被探测，且测得的信号易失真。然而在低温情况下，电子受到的散射会明显减弱，且仪器噪声较小，采用低温电子自旋共振技术可更精确地探测纳米硅的ESR信号，更准确地深入分析纳米硅微观结构信息。对测试得到的ESR共振吸收谱线在磁场范围内进行二重积分后(∫∫f(B)dB),其所得函数在B范围内取得的最大值既是纳米硅基薄膜中未配对的电子浓度。本专利技术中采用PECVD和多层膜限制性晶化技术制备的共掺纳米硅材料尺寸均一、掺杂均匀，具有相同的纳米微观结构，因此采用低温电子自旋共振技术可精确地得到纳米硅材料中的结构信息。本专利技术的机理是，制备硼磷共掺的纳米硅材料，利用硼去占据纳米硅的表面，钝化表面的悬挂键。这会使得原本占据在表面的杂质磷原子更多地进入到纳米硅内部，进而实现磷掺杂浓度效率的提高，和相应的参与导电的电子浓度的增加。据此，在实验上，我们利用平板电容型射本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用硼磷共掺技术提高纳米硅基薄膜中磷的掺杂浓度效率的方法，其特征是步骤如下：1)利用PECVD制备掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜材料；生长掺杂纳米硅薄膜时通入硅烷(SiH4)在硅片上进行非晶硅层沉积，同时通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以实现硼磷共掺杂，并改变掺杂气体流量以获得不同的掺杂浓度；生长纳米硅层膜材料，关闭硅烷和掺杂气体，通入氧气(O2)进行原位氧化纳米硅获得二氧化硅层；2)通过交替进行非晶硅层沉积/原位氧化两个过程，能够获得掺杂纳米硅/二氧化硅(a‑Si/SiO2)多层膜材料；控制非晶硅层沉积/原位氧化的时获得a‑Si/SiO2多层膜的厚度；3)对制备的a‑Si/SiO2多层膜进行脱氢处理；4)脱氢后对进行氮气氛围下的高温退火处理，使多晶硅结晶形成纳米硅，并激活杂质原子进入纳米硅内部，实现纳米硅的掺杂；经过以上步骤就能够制备共掺杂的纳米硅/二氧化硅多层膜。

【技术特征摘要】
1.利用硼磷共掺技术提高纳米硅基薄膜中磷的掺杂浓度效率的方法，其特征是步骤如下：1)利用PECVD制备掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜材料；生长掺杂纳米硅薄膜时通入硅烷(SiH4)在硅片上进行非晶硅层沉积，同时通入磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)以实现硼磷共掺杂，并改变掺杂气体流量以获得不同的掺杂浓度；生长纳米硅层膜材料，关闭硅烷和掺杂气体，通入氧气(O2)进行原位氧化纳米硅获得二氧化硅层；2)通过交替进行非晶硅层沉积/原位氧化两个过程，能够获得掺杂纳米硅/二氧化硅(a-Si/SiO2)多层膜材料；控制非晶硅层沉积/原位氧化的时获得a-Si/SiO2多层膜的厚度；3)对制备的a-Si/SiO2多层膜进行脱氢处理；4)脱氢后对进行氮气氛围下的高温退火处理，使多晶硅结晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，李东珂，陆鹏，李伟，翟颖颖，陈坤基，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32