上海交大梁正：探究表面雜原子對硅烷解離影響

01

多晶硅（polysilicon）是太陽能電池、儲能設備和半導體領域中廣泛使用的關鍵材料。隨著這些產業的發展，高質量和高純度多晶硅的制備變得愈發重要。目前，制備高純度多晶硅的最常見方法是化學氣相沉積（CVD），主要使用含硅化合物作為前驅體，這些前驅體在高溫下熱解。

硅基底的表面雜原子也可能影響硅的沉積反應。在制備硅棒的過程中，很難保持硅芯表面（硅棒生長的襯底）完全干凈。硅芯的表面可能含有由于氧化而形成的微量氧。為了消除氧的影響，通常會用氫處理硅芯的表面。然而，經過氫鈍化的硅芯表面可能會引入少量氫。因此，本研究采用密度泛函理論（DFT）來研究沉積襯底表面雜原子對硅烷的表面反應的影響。在這里，多晶硅棒是通過高溫硅烷熱解制備的。氫的脫附速度很快，不會影響表面反應速率。因此，我們主要關注硅烷在襯底表面的解離。為了實現硅棒的均勻生長，還計算了不同硅表面上硅原子遷移的能壘，以選擇最佳的沉積硅襯底。

02

成果簡介

化學氣相沉積（CVD）是制備高質量多晶硅的最重要方法之一。本文采用密度泛函理論（DFT）研究了表面雜原子對CVD制備的多晶硅生長的影響。對三種硅（111）表面進行了計算，包括清潔的硅表面、含氧的硅表面和含氫的硅表面，計算了硅烷的解離活化能和表面硅原子的遷移能壘。計算結果顯示，在清潔的硅表面上，硅烷解離的活化能為1.71電子伏，高于氧化硅表面的1.04電子伏，與含氫硅表面的1.74電子伏相近。因此，在部分氧化的硅襯底上，硅的沉積更傾向于發生在氧化區域。而在氫化的硅襯底上，硅的沉積將均勻分布在整個表面。

此外，計算了硅原子在清潔、氧化和氫化表面上的表面遷移能壘，分別為0.27電子伏、0.24電子伏和0.05電子伏。氫化襯底上較低的遷移能壘表明硅的沉積更加均勻。隨后，實驗數據證實了這一發現。這項研究為高質量多晶硅的制備提供了理論基礎，并為工業級生產均勻致密多晶硅棒提供了有價值的操作指導。

03 圖文導讀

圖1清潔的Si(111)表面（a）、氧化的Si(111)表面（b）和氫化的Si(111)表面（c）上表面Si的態密度圖；清潔的Si(111)表面（d）、氧化的Si(111)表面（e）和氫化的Si(111)表面（f）上Si 3s和3p軌道的態密度圖。

圖2清潔的Si(111)表面（a）、氧化的Si(111)表面（b）和氫化的Si(111)表面（c）上原子的電子定域函數。

圖3 (a)清潔的Si(111)表面上第一步解離反應路徑和(b) SiH4總體解離的能量圖。

圖4 (a)氧化的Si(111)表面上第一步解離反應路徑和(b) SiH4總體解離的能量圖。

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圖5(a)氫化的Si(111)表面上第一步解離反應路徑和(b) SiH4總體解離的能量圖。

圖6表面硅原子的擴散路徑和遷移能壘(a)在清潔的Si(111)表面，(b)在氧化的Si(111)表面，以及(c)在氫化的Si(111)表面。

04

小結

在這項工作中，使用DFT計算來研究表面異質原子對硅沉積質量的影響。構建了三種不同的Si(111)表面，即清潔的硅表面、氧化的硅表面和氫化的硅表面。計算了在這三種表面上硅烷解離的能量變化和活化能。此外，還比較了這三種表面上沉積硅原子的遷移能壘。根據計算結果，部分氫化的硅表面有助于均勻且減少枝狀硅沉積，從而產生高質量的硅棒，而不是珊瑚或玉米棒。此外，從工業實驗中收集的實驗結果與我們的計算結果一致。我們的計算和解釋可以作為工業研究結果的合理解釋。本文為制備均勻且減少枝狀硅棒提供了理論依據。

審核編輯：劉清