利用闪光灯退火在碳化硅中形成硅纳米晶体

在通过固相结晶于 Si$_x$C$_{1-x}$ 层中形成 Si 纳米晶体（Si NC）的过程中，无意形成的纳米晶 SiC 会降低少数载流子寿命，从而降低 Si$_x$C$_{1-x}$ 作为太阳能电池吸收层的性能。显著减少退火时间可抑制 SiC 基体的结晶，同时保持 Si NC 的形成。在本研究中，我们使用常规快速热退火（RTA）和非平衡毫秒级闪光灯退火（FLA）研究了化学计量 SiC 和富 Si 的 SiC 的结晶。所研究的 Si$_x$C$_{1-x}$ 薄膜通过等离子体增强化学气相沉积制备，并在 700${\deg}$C 至 1100${\deg}$C 温度下对 RTA 退火，以及在 34 J/cm$^2$ 至 62 J/cm$^2$ 的闪光能量下对 FLA 退火。进行了 GIXRD 和 FTIR 以研究氢逸出、Si 和 SiC NC 生长以及 SiC 结晶度。Si 含量和退火工艺的选择均影响结晶行为。结果表明，在特定条件下，FLA 可成功用于 SiC 基体中 Si NC 的形成，其非常近似于 RTA 实现的 SiC 基体中 Si NC。样品必须具有过量 Si，且对于 Si$_{0.63}$C$_{0.37}$ 和 Si$_{0.77}$C$_{0.23}$ 样品，闪光能量应分别不超过 40 J/cm$^2$ 和 47 J/cm$^2$。在这些条件下，FLA 能在比 RTA 结晶度更低的 SiC 中成功制备出给定尺寸的 Si NC。使用经典结晶理论从成核和晶体生长角度讨论了该结果。对于 FLA 和 RTA 样品，观察到 NC 尺寸与 Si 含量之间相反的关系，并将其归因于氢逸出对 Si 含量的依赖，或材料的 optical absorption 性质（同样依赖于 Si 含量）。