硅基非晶合金薄膜及其器件化应用研究

摘要

半导体器件由于其独特的导电性能、能耗低和易于集成等优点被广泛应用于能源、通信、医疗及军事等领域上。在半导体器件的大家族中，以硅及其相关材料形成的器件为主。随着信息技术的不断发展，生产制备技术和工艺水平的提高，已经研制出了种类繁多、功能各异的硅基器件。
　　本文采用射频磁控共溅射方法沉积非晶硅钌(a-Si1-xRux)合金薄膜，研究金属元素Ru的引入对制备态以及退火态薄膜微结构和光电性能的影响。研究发现，随着Ru名义浓度的增加，非晶网络的短程有序度有所下降，但适量的Ru掺杂可使非晶硅薄膜的光学带隙减小，同时缺陷密度有所降低、成键趋于稳定，薄膜由疏松变得致密。随着Ru掺杂浓度的增加，a-Si1-xRux薄膜的电导率大幅上升，其中，Ru浓度为8％的a-Si1-xRux薄膜的电导率可达到10-1 S/cm；薄膜的电阻温度系数TCR随Ru掺杂比例的增加而减少，但适当控制Ru的掺杂浓度，薄膜的TCR仍然保持在2%以上。研究表明，a-Si1-xRux合金薄膜具有良好的电导率和适当的TCR值，在红外探测器等领域上有着良好的应用前景。采用射频磁控共溅射方法沉积非晶硅银(a-Si1-xAgx)合金薄膜，研究了Ag掺杂浓度对a-Si1-xAgx薄膜微结构和光电性能的影响。设计并制备了Ag/a-Si/p-Si三明治结构，可用于非晶硅基忆阻器电阻开关效应的在线椭偏研究。以硅基光波导开关为研究对象，将非晶硅银合金薄膜应用于集成光学器件，通过仿真软件研究了“非晶硅/硅波导”光开关的“导通”和“阻断”特性，发现波导中的光场能量可被有效地耦合到非晶硅层中并被其吸收，从而实现了波导光开关的“开/光”功能，且具有较大的消光比和较小的插入损耗。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 非晶半导体简介

1.3 非晶硅薄膜及其元素掺杂研究现状

1.4 非晶硅薄膜器件化应用概况

1.5 论文的主要工作

第二章 薄膜制备及光学、电学性能表征

2.1 实验薄膜制备

2.2 薄膜微结构表征方法

2.3 薄膜光学性能研究方法

2.4 薄膜电学性能研究方法

第三章 硅钌合金薄膜微结构及光电性能研究

3.1 引言

3.2 钌含量对薄膜微结构的影响

3.3 钌含量对薄膜光电性能的影响

3.4 小结

第四章 硅银合金薄膜微结构、光电性能及器件化应用研究

4.1 引言

4.2 银含量对硅银合金薄膜的影响

4.3 硅银合金薄膜器件化应用初步研究

第五章 结论与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果