金属掺杂非晶硅薄膜的结构演化及光电性能研究

摘要

晶体硅（c-Si）以其优良的电学特性、成熟的工艺和低廉的成本成为微电子和光电子行业的基础材料。然而，受制于自身的间接带隙且光学常数固定不可调控等局限，c-Si的光学特性并不出色。金属掺杂能引入深能级缺陷、束缚激子等局域化电子结构，是实现Si材料能带改性的一个有效手段。非晶硅（a-Si）本身具备禁带宽度可控、折射率可调、光吸收系数大等c-Si所不具备的特殊光电特性，且对掺入其中的金属原子的固溶度更高，是实现金属掺杂的优秀Si基基质材料。本文选择金属掺杂a-Si薄膜为研究方向，以非晶硅钌（a-Si1-xRux）薄膜和非晶硅银（a-Si1-xAgx）薄膜为研究对象，采用多种成膜技术与材料特性表征手段并结合仿真设计，深入研究了薄膜微观结构及光电特性的演变规律及其作用机理，并对潜在应用进行了探索。具体内容可概括如下：
　　（1）采用射频磁控共溅射（RF co-sputtering）成膜技术，制备 a-Si1-xRux薄膜；使用多种材料表征手段，深入研究了a-Si网络结构随薄膜中Ru含量变化的演变规律、Ru原子在薄膜中的存在形式；结合退火处理，分析并讨论了a-Si1-xRux薄膜中a-Si网络与纳米晶在温度作用下的结构变化；通过引入氢气制备出了氢化非晶硅钌（a-Si1-xRux:H）薄膜，建立了薄膜中硅氢（Si-H）组态变化与Ru含量之间的关系。结果表明，a-Si网络短程有序性和中程有序性，随 Ru含量增加出现了不同程度的下降。Ru原子既可以替位原子存在于 a-Si网络中，又会析出形成硅钌纳米晶。高温使硅钌纳米晶发生相变，并通过金属诱导晶化机制促进了 a-Si晶化。在a-Si1-xRux:H中，Ru原子与微孔内表面的Si悬挂键结合，使薄膜中H含量下降，剩余的H多以体Si-H单键形式存在。
　　（2）在 a-Si1-xRux薄膜微观结构的研究基础上，对薄膜的激活能、电阻率与电阻温度系数（TCR）的变化规律进行了研究；利用光谱椭楄仪建立了薄膜的光学模型，对薄膜折射率、消光系数及色散关系进行了分析，并优化了薄膜的光学带隙；结合硅衬底表面微纳结构，构建了准二维无序材料，以实现在缩减薄膜厚度条件下的近红外宽谱高效光吸收。结果表明，a-Si1-xRux薄膜的激活能与电阻率随 Ru含量的增加而降低。通过调控钌含量，可使非晶硅钌薄膜具有较低的电阻率和较高的TCR。同时，薄膜折射率和消光系数随钌含量增加而升高，近红外波段吸收系数高于硅锗薄膜，且光学带隙随钌含量增加而减小。准二维无序材料包含随机分布的纳米孔阵列，可使光学模式在薄层平面内产生多次散射，进而实现宽光谱增益。基于这种特殊结构的非晶硅钌薄膜，可在兼顾光吸收的同时避免载流子无谓复合。
　　（3）采用RF co-sputtering成膜技术，制备a-Si1-xAgx薄膜；针对Si与Ag为简单二元共熔体系的特点，研究了Ag原子对a-Si网络的影响和纳米晶粒的特征；研究了不同Ag含量a-Si1-xAgx薄膜的电阻率变化范围，并与硅银忆阻器开关比进行了比较。通过椭楄建模，重点研究了薄膜的色散关系，阐明了薄膜光学常数变化机理，并讨论了潜在的应用方向；利用Ag在Si中形成的深能级缺陷，实现了a-Si1-xAgx薄膜常温光致发光。结果表明，薄膜中的Ag会使a-Si网络无序化，并以纳米晶的形式均匀分布。随着 Ag含量的增加，薄膜电阻率逐渐减小，其电阻率变化范围覆盖了硅银忆阻器的典型电阻开关比。a-Si1-xAgx薄膜折射率变化由宽光谱范围内的增加与可见光范围内的反常色散叠加形成，消光系数随银含量的增加而增加，并在700nm左右出现吸收峰。同时，a-Si1-xAgx在可见、近红外、远红外及太赫兹段的透过率均随Ag含量的增加而降低。a-Si1-xAgx在常温下具有光致发光特性，随着薄膜中Ag含量的增加，其发光强度先升后降，峰位出现红移。
　　（4）构建并制备出“Ag/a-Si/p-Si”忆阻结构，研究了其阻变特性；设计出了基于a-Si1-xAgx薄膜忆阻器的新型光开关，并通过仿真软件进行了功能验证和结构优化；设计出了基于a-Si1-xAgx薄膜忆阻器的光读取仿生神经突触，并通过仿真软件进行了功能验证。结果表明，a-Si1-xAgx薄膜忆阻器阻变性能受窗口尺寸和制备工艺的影响，与薄膜中所包含的微孔结构与致密度相关。通过优化新型光开关结构尺寸，可使其具备低插入损耗、高消光比的特性。光读取仿生神经突触具有将突触权值以光强输出的功能，并能利用材料色散在单节点上实现按波长展开形成多个信道的能力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 非晶硅概述

1.2 非晶硅薄膜金属掺杂研究现状

1.3 本论文主要工作

第二章 非晶硅薄膜制备及主要表征方法

2.1 磁控溅射工作原理

2.2 样品制备

2.3 薄膜特性表征方法

2.4 本章小结

第三章 非晶硅钌薄膜微纳结构及其演化规律

3.1 引言

3.2 制备态薄膜的非晶网络结构演化与纳米晶化

3.3 退火处理对薄膜微纳结构的影响

3.4 钌对氢化非晶硅钌薄膜中硅氢组态的影响

3.5 本章小结

第四章 非晶硅钌薄膜光电特性及其应用

4.1 引言

4.2 薄膜电学特性研究

4.3 薄膜光学常数调控及光学带隙优化

4.4 准二维无序材料构建及其应用

4.5 本章小结

第五章 非晶硅银薄膜微纳结构及其光电特性

5.1 引言

5.2 薄膜微纳结构演化

5.3 薄膜光电特性研究

5.4 薄膜光致发光特性研究

5.5 本章小结

第六章 非晶硅银薄膜忆阻特性及其应用研究

6.1 引言

6.2 非晶硅银薄膜忆阻器试制及其阻变功能实现

6.3 基于非晶硅银薄膜忆阻器的光开关仿真研究

6.4 基于非晶硅银薄膜忆阻器的光读取仿生神经突触仿真研究

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 全文工作总结

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果