非晶硅薄膜YAG激光微晶化晶粒生长研究

以单晶硅(111)为衬底,以等离子体增强化学气相沉积技术制备的非晶硅薄膜为前驱物,采用YAG激光晶化技术实现从非晶硅薄膜到纳米晶硅薄膜的相变过程。采用X射线衍射仪和原子力显微镜对YAG激光晶化薄膜进行了表征与分析。结果表明:薄膜的晶粒尺寸在纳米级;随着激光脉冲频率的增加,晶粒尺寸先变大后变小,其最佳结晶频率区间为10～12 Hz。     

激光脉冲频率对不同衬底上非晶硅薄膜晶化的影响

应用不同频率的YAG激光分别对单晶硅及多晶硅衬底上的非晶硅薄膜进行了退火处理。晶化后的非晶硅薄膜的物相结构和表面形貌用XRD和AFM进行分析。XRD测试结果表明:随着激光频率的增加,两种衬底上的非晶硅薄膜晶化晶粒尺寸均出现了先增加后降低的现象。所有非晶硅样品的衍射峰位与衬底一致,说明非晶硅薄膜的晶粒生长是外延生长。从多晶硅衬底样品的XRD可以看出,随着激光频率的增加,激光首先融化衬底表面,然后衬底表层与非晶硅薄膜一起晶化。非晶硅薄膜最佳晶化激光频率分别为:多晶硅衬底20Hz,单晶硅衬底10Hz。     

本征非晶硅薄膜的准分子激光晶化

为了减低非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应和提高其光电转换效率,用等离子体化学气相沉积系统制备了本征非晶硅薄膜,用波长为248nm的KrF准分子激光器激光晶化了非晶硅表层,用共焦显微喇曼测试技术研究了非晶硅薄膜在不同的激光能量密度和不同的频率下的晶化状态,并用扫描电子显微镜测试晶化前后薄膜的形貌。结果表明,随着激光能量密度的增大,薄膜晶化效果越来越好,能量密度达到268.54mJ/cm2时晶化效果最好,此时结晶比约为76.34%;最佳的激光能量密度范围是204.99mJ/cm2~268.54mJ/cm2,这时薄膜表面晶化良好;在1Hz~10Hz范围内,激光频率越大晶化效果越好;晶化后薄膜明显出现微晶和多晶颗粒,从而达到了良好的晶化效果。     

连续氩氪离子激光晶化非晶硅薄膜的研究

为了研究连续激光晶化非晶硅薄膜中激光功率密度对晶化效果的影响,利用磁控溅射法制备非晶硅薄膜,采用连续氩氪混合离子激光器对薄膜进行退火晶化,用显微喇曼光谱测试技术和场发射扫描电子显微镜研究了薄膜在5ms固定时间下不同激光功率密度对晶化效果的影响,并对比了普通玻璃片和石英玻璃两种衬底上薄膜晶化过程的差异。结果表明,在一定激光功率密度范围内(0kW/cm2~27.1kW/cm2),当激光功率密度大于15.1kW/cm2时,普通玻璃衬底沉积的非晶硅薄膜开始实现晶化;随着激光功率密度的增大,晶化效果先逐渐变好,之后变差;激光功率密度增大到24.9kW/cm2时,薄膜表面呈现大面积散落的苹果状多晶硅颗粒,晶粒截面尺寸高达478nm ;激光功率密度存在一个中间值,使得晶化效果达到最佳;石英衬底上沉积的非晶硅薄膜则呈现与前者不同的结晶生长过程,当激光功率密度为19.7kW/cm2时,薄膜表面呈现大晶粒尺寸的球形多晶硅颗粒,并且晶粒尺寸随着激光功率密度的增大而增大,在 27.1kW/cm2处晶粒尺寸达到最大5.38m。研究结果对用连续激光晶化法制备多晶硅薄膜的研究具有积极意义。     

YAG激光晶化多晶硅

报道了采用YAG脉冲激光器对硅基薄膜进行晶化制备多晶硅的实验结果,其中主要针对以PECVD法制备的不同硅基薄膜(如非晶硅和微晶硅)为晶化前驱物,以及对激光能量的利用等问题进行了分析研究.实验发现,晶化需要基本的阈值能量流密度,而晶化硅基前驱物材料的结构,是决定此阈值的关键.延迟降温速率对激光晶化是一种较为有效的手段,并对所得的初步结果进行了讨论.     

YAG激光晶化多晶硅

报道了采用YAG脉冲激光器对硅基薄膜进行晶化制备多晶硅的实验结果，其中主要针对以PECVD法制备的不同硅基薄膜（如非晶硅和微晶硅）为晶化前驱物，以及对激光能量的利用等问题进行了分析研究．实验发现，晶化需要基本的阈值能量流密度，而晶化硅基前驱物材料的结构，是决定此阈值的关键．延迟降温速率对激光晶化是一种较为有效的手段，并对所得的初步结果进行了讨论．     

脉冲Nd:YAG激光器选区晶化制备多晶硅薄膜

采用三倍频后的Nd:YAG固体脉冲激光系统(波长为355 nm)选区诱导晶化非晶硅薄膜,以制备多晶硅薄膜。分别测试了激光晶化前后薄膜的表面形貌和拉曼光谱。在文中分析了400 nm厚薄膜在激光扫描前后的表面形貌变化。拉曼光谱显示薄膜的晶化程度随着激光能量的增加而提高。最优的激光晶化能量密度与薄膜的厚度相关。对于300 nm和400 nm厚的非晶硅薄膜,有效晶化非晶硅的能量密度分别在440-634 mJ/cm²,777-993 mJ/cm²之间。在激光能量密度分别为634 mJ/cm²,975 mJ/cm²和1571 mJ/cm²时,300 nm、400 nm和500 nm厚薄膜达到最好的晶化效果。     

固体纳秒激光器应用于非晶硅薄膜结晶的研究

多晶硅薄膜比非晶硅薄膜具有更高的电子迁移率,在器件中表现出更优良的性能,脉冲激光结晶非晶硅薄膜制备多晶硅薄膜的方法具有热积存小、对衬底影响小、成本低等优点。使用532 nm固体纳秒激光器进行了非晶硅薄膜激光结晶实验,为了解决直接使用高斯光束结晶时因光斑能量分布带来的结晶效果不均匀,首先基于光束整型系统将圆形的高斯光束整型成为线性平顶光束,而后研究单脉冲能量密度、脉冲个数、非晶硅薄膜厚度对结晶效果的影响。结果表明,线性平顶光束用于非晶硅薄膜结晶具有更好的均匀性,对于100 nm非晶硅薄膜,随着能量密度的增加,晶粒逐渐变大,直到表面出现热损伤,最大晶粒尺寸约为1 μm×500 nm。随着脉冲个数的增加,表面粗糙度有减小的趋势,观察到的最小粗糙度约为2.38 nm。对于20 nm超薄非晶硅薄膜,只有当能量密度位于134 mJ/cm2和167 mJ/cm2之间、脉冲个数大于或等于八个时才能观察到明显的结晶效果。     

平顶绿光晶化制备多晶硅薄膜

利用倍频Nd∶YAG激光器使玻璃基底上沉积的非晶硅薄膜成功实现了晶化.YAG激光器的倍频绿光经蝇眼透镜阵列整形后得到一光强均匀分布的平顶光束,并用此光束对非晶硅薄膜进行扫描晶化处理.分别测量了激光晶化前后薄膜的拉曼谱和表面形貌.测量结果表明,非晶硅实现了到多晶硅的相变,且晶化处理后表面起伏度明显增大.根据拉曼谱的数据计算了不同激光能量密度下薄膜的粒度大小和结晶度.结果表明,在一定能量密度(400～850 mJcm2)范围内,结晶膜的晶粒粒度和结晶度随激光能量密度升高而增大.然而能量密度大于1000 mJ/cm2后,检测不到明显的多晶硅特征峰.激光能量密度在850 mJ/cm2左右可得到最佳晶化效果.     

非晶硅薄膜的准分子激光晶化研究

利用Kr准分子激光器晶化非晶硅薄膜, 研究了不同的激光能量密度和脉冲次数对非晶硅薄膜晶化效果的影响.利用X 射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对晶化前后的样品的物相结构和表面形貌进行了表征和分析.实验结果表明, 在激光频率为1 Hz 的条件下, 能量密度约为180 mJ/cm2时,准分子激光退火处理实现了薄膜由非晶结构向多晶结构的转变;当大于晶化阈值180 mJ/cm2小于能量密度230 mJ/cm2时, 随着激光能量密度增大, 薄膜晶化效果越来越好;激光能量密度为230 mJ/cm2时, 晶化效果最好、晶粒尺寸最大, 约60 nm, 并且此时薄膜沿Si(111)面择优生长;脉冲次数50 次以后对晶化的影响不大.     

Characterization and simulation analysis of laser-induced crystallization of amorphous silicon thin films

The effect of laser energy density on the crystallization of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films was studied theoretically and experimentally. The thin films were irritated with a frequency-doubled (λ=532 nm) Nd:YAG pulsed nanosecond laser. An effective finite element model was built to predict the melting threshold and the optimized laser energy density for crystallization of intrinsic amorphous silicon. Simulation analysis revealed variations in the temperature distribution with time and melting depth. The highest crystalline fraction measured by Raman spectroscopy (84.5%) agrees well with the optimized laser energy density (1000 mJ/cm²) in the transient-state simulation. The surface morphology of the thin films observed by optical microscopy is in fairly good agreement with the temperature distribution in the steady-state simulation.     

Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon thin films by a pulsed Nd:YAG laser with 355 nm wavelength

Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon(p-Si) thin films were prepared by the third harmonics (355 nm wavelength) generated by a solid-state pulsed Nd:YAG laser.Surface morphologies of 400 nm thick films after laser irradiation were analyzed.Raman spectra show that film crystallinity is improved with increase of laser energy.The optimum laser energy density is sensitive to the film thickness.The laser energy density for efficiently crystallizing amorphous silicon films is between 440-634 mJ/cm2 for 300 nm thick films and between 777-993 mJ/cm~2 for 400 nm thick films.The optimized laser energy density is 634,975 and 1571 mJ/cm~2 for 300,400 and 500 nm thick films,respectively.     

激光能量对沉积纳米Si薄膜晶粒尺寸的影响

为了制备纳米硅薄膜,采用脉冲激光沉积系统,保持靶材和衬底间距不变,在不同激光能量条件下,得到一系列纳米Si薄膜。利用喇曼散射光谱和X射线衍射谱对晶粒尺寸进行了计算和分析,取得了几组数据。结果表明,改变脉冲激光能量时,纳米Si晶粒平均尺寸均随能量的增强先增大后减小;在单脉冲能量为300mJ时制备的纳米Si晶粒平均尺寸最大,为8.58nm。这一结果对纳米硅薄膜制备的研究有积极意义。     

非晶硅薄膜激光晶化及其结构分析

以射频(频率为13.6MHz)磁控溅射系统制备的非晶硅薄膜为前驱物,采用激光晶化技术实现从非晶硅薄膜到纳米晶硅薄膜的相变过程。采用拉曼光谱仪和高分辨透射电镜对激光晶化薄膜的组织结构进行了研究。结果表明:薄膜由非晶硅结构转变为微晶硅结构,微晶硅晶粒尺寸在纳米级。激光晶化存在一个最佳工艺参数,功率太高或太低都不利于晶化。     

Low temperature crystallization of amorphous silicon using an excimer laser

Low temperature processing is a prerequisite for compatible technologies involving combined a-Si and poly-silicon devices or for fabricating these devices on glass substrates. This paper describes excimer-laser-induced crystallization of thin amorphous silicon films deposited by plasma CVD (a-Si:H) and LPCVD (a-Si). The intense, pulsed UV produced by the laser is highly absorbed by the thin amorphous material, but the average temperature is compatible with low temperature processing. The process produces crystallites whose structure and electrical characteristics vary according to starting material and laser scan parameters. The crystallized films have been principally characterized using x-ray diffraction, TEM, and transport measurements. The results indicate that crystallites nucleate in the surface region and are randomly oriented. The degree of crystallization near the surface increases as the doping level and/or deposited laser energy density is increased. The crystallite size increases with a power law dependence on deposited energy, while the conductivity increases exponentially above threshold for unintentionally doped PECVD films. The magnitude of the Hall mobility of the highly crystallized samples is increased by two orders of magnitude over that of the amorphous starting material.