淀积高质量微晶半导体材料的方法技术

微晶半导体材料层的等离子体淀积方法，通过用电磁能激发包含半导体材料前体和稀释气体的工艺气体，由此产生等离子体而进行该方法。将微晶半导体材料层等离子体淀积到衬底上。工艺气体中的稀释物浓度作为已淀积的微晶半导体材料层厚度的函数变化。还公开了用这种工艺制备Ｎ－Ｉ－Ｐ型光伏器件的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府权益本工作受美国能源署支持，合同号No.ZDJ-2-30630-19专利
一般的，本专利技术涉及半导体材料。更具体的，本专利技术涉及薄膜半导体材料。再具体的，本专利技术涉及高质量的微晶半导体材料，由这些材料制造的器件，以及它们的制造方法。
技术介绍
一般的，本专利技术涉及薄膜半导体材料。在本公开文本中，薄膜半导体材料包括一般通过气相淀积工艺在衬底上构建薄层而淀积的材料。这些工艺包括等离子体淀积工艺(又称为等离子体化学气相淀积工艺)，其中，一般由半导体前体和稀释气体组成的工艺气体经受电场作用而电离该气体，产生反应等离子体，等离子体使工艺气体中的至少某些组分分解，在保持在等离子体中的或者接近等离子体的衬底上淀积半导体材料层。相似的，非等离子体淀积工艺，比如非等离子体化学气相淀积工艺也能用来制备薄膜半导体材料。薄膜半导体材料由于缺乏长程有序性，通常被认为是无序半导体材料，而不是单晶或者多晶材料。薄膜半导体材料可以是非晶材料，其只有局域或者中程的有序性(尽管它们有时包含了有序性更高的区域)。薄膜材料还包括微晶材料，其与长程有序材料比如单晶材料，多晶材料以及其它的薄膜材料，比如非晶材料是有区别的。美国专利No.4600801公开了一种在N-I-P型光伏器件中具有独特效用的，高电导，高透明的P掺杂微晶半导体合金材料，这里通过引用将其引入。正如那里具体所公开的，微晶材料和非晶材料是不同的，因为其表现出晶态内含物(inclusion)的阈值体积分数，在该体积分数处，关键参数包括电导性，带隙和吸收常数会发生实质性改变。结合无序材料的渗透模型，可以最好的理解微晶材料表现出晶态内含物阈值体积分数，而在该体积分数处关键参数会发生实质性改变的概念。当将渗透理论应用到微晶材料上时，可以将微晶材料所具有的性能，比如电导性，类推到流体渗透过不均匀的半透性介质，比如砂床。微晶材料由随机网络组成，其中包括低导电性，高无序性的材料区域，这些材料包围在随机的高度有序的高导电性的晶态内含物周围。一旦这些晶态内含物达到网络的临界体积分数(这个临界体积除了其它事物外依赖于内含物的尺寸和/或形状和/或取向)，就有统计上的可能使所述内含物充分互联，以形成贯穿网络的低阻电流通道。所以，在这个临界或阈值体积分数处，材料表现出突然的电导增加。熟悉固态理论的人对这种分析(如这里与电导性相关的一般描述)是熟知的，相似的，其可以用来描述微晶材料其它物理性能，比如光带隙，吸收常数等的变化。这个微晶材料的物理性能发生实质性改变的临界阈值的起点依赖于特定晶态内含物的尺寸，形状和取向，但对于不同类型的材料相对恒定。晶态内含物的形状对达到阈值所必需的体积分数是关键的。存在预测达到阈值所必需的体积分数的一维，二维和三维模型，这些模型依赖于晶态内含物的形状。例如，在一维模型中(其可以类比成电荷载流子流过细线的流动)，在非晶网络中的内含物体积分数必须到100％才能达到阈值。在二维模型(其可以看成基本上圆锥形内含物在非晶网络厚度上延伸)中，在非晶网络中的内含物体积分数必须到约45％才能达到阈值。最后，在三维模型(其可以看作基本球形内含物处在非晶材料的海洋中)中，内含物体积分数仅仅需要约16-19％就能达到阈值。所以，非晶材料中可以包括晶态内含物，却不成为这里所定义的微晶。反过来，微晶材料中可以含有与这里的定义相一致的非晶区。微晶半导体材料通常比相应的非晶半导体材料具有更高的导电性和更好的稳定性。结果，微晶半导体材料在特定的半导体应用中的效用在不断增加。例如，在光伏领域中，微晶半导体层可以单独或者与非晶半导体材料层结合用来制造各种光伏器件结构。例如，上面所引用的美国专利No.4600801公开的P-I-N型光伏器件，其中其P层由硅氢和氟的微晶合金制成。Shah等的标题为”Material and Solar CellResearch in Microcrystalline Silicon”的文章，Solar EnergyMaterials and Solar Cells 78(2003)469-491，公开了完全由硅和氢的微晶合金制成的光伏器件。美国专利No.6472248公开的光伏器件由非晶半导体材料和具有不同形态的半导体材料叠层微晶层构成。如现有技术所知，以及如’248专利所认知的，微晶硅及其合金可以多种形态存在。例如，该材料可以在基本上是非晶的基体中包含球形晶体，其可以在基体中包含更长的晶体；或者，其可以含有由相对长的取向大致垂直于衬底的晶体构成的柱状结构。上面给出的微晶材料的定义承认并包括所有这些形态。上述类型的等离子体淀积工艺可以在有利于淀积非晶或者微晶材料的条件下实施，在例如上面引用的美国专利No.4600801中公开了这些淀积条件，这里通过引用将其引入。应该明白，等离子体淀积工艺可以用非常宽范围的电磁能进行，包括的频率范围从声频到射频，再到甚高频，并直到微波频率；本专利技术可以在所有这些频率下使用。现有技术已经认识到，用于光伏器件的最优的微晶硅合金层是在接近于非晶/微晶阈值的淀积条件下淀积的。在这方面参见例如前面引用的Shah等的文章。另外，Shah已经认识到在制造光伏器件中通常不希望微晶硅中具有柱状或者其它大晶粒结构，并且指出，在等离子体淀积工艺中，使用高水平的氢稀释物会引起大晶粒生长。现有技术还认识到，等离子体淀积的非晶半导体材料倾向于随其厚度增加而变得更加有序。这种公开在美国专利No.6274461中可以看到，在这里通过引用将其引入。在由微晶材料制备光伏电池的过程中，本专利技术人发现随着器件厚度的增加，由开路电压(VOC)和填充因子(FF)两者或者两者之一衡量的电池性能迅速下降。性能作为厚度函数的下降速率太大，以致于不能归因于电荷载流子必须经过的距离的增加，这使本专利技术人猜测，所淀积的微晶半导体的材料质量必定随其厚度的增加而劣化。表1是从一系列实验总结的数据，其中6个N-I-P型光伏器件由利用70MHz的甚高频能量的等离子体激励的辉光放电淀积工艺制备。每个电池包括插在相对薄的P和N掺杂的微晶硅氢合金材料层之间的本征微晶硅氢合金材料体。从表1可以看出，本征层厚度从样品1中的335nm变化到样品6中的1980nm。在AM-1.5照射下测量每个电池的性能参数。这些参数包括的指标有品质因素Q，以mA/cm2为单位，开路电压(VOC)，填充因子(FF)和最大功率(Pmax)，以mW/cm2为单位。填充因子可以很好的衡量光伏器件中所用的半导体材料的材料质量；可以看到(不考虑相对薄的样品1的电池)，随本征层厚度增加，填充因子变小。另外，电池的开路电压也随本征层的变厚而下降。这表明构成本征层的材料的晶粒尺寸随层厚增加而增加。尽管不想被理论所束缚，专利技术者假设微晶半导体材料的有序度随淀积物厚度增加而增加。由此导致形成所不希望的半导体材料的大尺寸晶粒。表1 已确定了这个问题，本专利技术人认识到需要找到某种方法或手段来调节微晶半导体材料的晶粒尺寸，以在微晶半导体材料的等离子体淀积中防止所不希望的大晶粒生长。由于微晶IV族半导体材料具有间接带隙，它们的光吸收系数比相应的非晶半导体材料所具有的那些低很多。因此，引入光伏电池，电子照相接收器以及其它光响应器件中的微晶半导体层必须要比在类似器件中所用的相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
微晶半导体材料层的等离子体淀积方法，其中用电磁能将包含半导体材料前体和稀释物的工艺气体激发，由此产生等离子体，该等离子体将所述微晶半导体材料层淀积到衬底上，其中的改进包括：作为已淀积微晶半导体材料层厚度的函数改变所述工艺气体中稀释物 的浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S古哈，CC杨，阎宝杰，
申请(专利权)人：联合太阳能系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]