氢化非晶硅薄膜制备及其微结构和光电性能研究

摘要

氢化非晶硅(a-Si：H)薄膜具有光吸收率较高、电阻温度系数较大、与Si半导体IC工艺兼容等特点，在微测辐射热计、太阳能电池、医疗仪器等领域具有广泛的应用前景。然而，a-Si：H薄膜导电性及电学性能稳定性较差的问题至今没有得到根本解决。因而，当前及今后的研究重点主要围绕高品质、高稳定性a-Si：H薄膜制备技术及性能优化而开展。 本文采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备磷(P)掺杂a-Si：H薄膜，借助多种现代分析测试方法，研究了基片温度、硅烷气体温度、N掺杂等对a-Si：H薄膜微结构、光学、电学等特性的影响；研究了电子束辐照过程中辐照剂量和入射电子初始能量对P重掺杂a-Si：H薄膜结构和性能的影响；对薄膜微结构和性能之间的关系进行了深入分析。本文取得的重要结论和创新性研究成果如下： (1)随着基片温度的升高，a-Si：H薄膜的表面形貌得到改善，非晶网络有序程度得到一定程度的提高，多氢硅化物(SiHn)数量减少，薄膜更加致密，从而导致P掺杂a-Si：H薄膜未成对电子自旋密度降低，薄膜暗电导率提高。 (2)随着硅烷(SiH4)气体温度的升高，P掺杂a-Si：H薄膜非晶网络结构的有序程度逐步得到改善，薄膜中未成对电子自旋密度降低，薄膜暗电导率得到大幅度提高。当SiH4气体温度为160℃时，薄膜中以SiH键为主，暗电导率提高了2个数量级。尽管此时薄膜的TCR绝对值减小了约1.6％/℃，但仍然可以达到|TCR|≈2.0％/℃，表明加热硅烷气体可以制备出质量较优的P掺杂a-si：H薄膜。经130℃长时间保温后，加热SiH4气体制备a-Si：H薄膜的电阻变化率ΔR/R与不加热相比小许多，表明加热SiH4气体温度可使a-Si：H薄膜的电学稳定性得到改善。 (3)通过喇曼(Raman)光谱技术对a-Si：H薄膜纵向有序性的差异进行了深入研究，发现从a-Si：H薄膜内部到表面，薄膜非晶网络的短程和中程有序程度逐步提高。热处理可使薄膜内部的非晶网络结构短程和中程有序程度得到提高，但只能使薄膜表面非晶网络的中程有序程度得到提高。 (4)采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析技术，深入研究了a-Si：H薄膜中H的键合方式及其演变过程，并讨论了其与薄膜性能的关系。当薄膜中H含量cH＜16at．％时，以SiH键为主；当cH＞16at．％时，则以聚集H原子为主。随着聚集H原子的增加，薄膜非晶网络有序程度降低，暗电导率随之降低。由于二氢硅化物(SiH2)和多氢硅化物(SiHn)比单氢硅化物(SiH)更容易在热作用下分解，因而，以SiH键为主的a-Si：H薄膜的热稳定性比SiH2或(SiHn)键含量较多的薄膜的热稳定性好。 (5)当N元素掺杂浓度较低时，P掺杂a-Si：H薄膜中Si-N键很少，薄膜结构和电学性能变化很小。继续提高N元素掺杂浓度，薄膜中H含量减少，薄膜表面颗粒尺寸变大，非晶网络有序性明显降低，光学带隙明显变宽，电学性能恶化。 (6)采用椭圆偏振(Ellipsometry)技术深入研究了a-Si：H薄膜的微结构和光学性能。椭偏反射法与椭偏透射法测得a-Si：H薄膜的微结构和光学参数值相当，表明透射法也可用于准确测量a-Si：H薄膜的微结构和光学参数。 (7)电子束辐照P重掺杂a-Si：H薄膜容易引起结构损伤和Si-H键断裂。然而，辐照引起的薄膜结构损伤和电学性能衰退最终趋于饱和，这是由于电子束辐照过程中存在退火作用。对辐照a-Si：H薄膜进行纵向分析后发现，薄膜表面电学性能衰退比内部更明显，且薄膜表面的短程和中程有序程度明显低于其内部，结构损伤和性能衰退主要集中在薄膜表面层。采用较低能量的入射电子进行辐照时，a-Si：H薄膜暗电导率衰退程度更大，非晶网络短程和中程有序程度更低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1非晶半导体概述

1.2氢化非晶硅薄膜的研究现状

1.2.1氢化非晶硅薄膜的发展简况

1.2.2氢化非晶硅的物理性能

1.2.3氢化非晶硅薄膜的常用制备方法

1.2.4氢化非晶硅薄膜的掺杂

1.2.5氢化非晶硅薄膜的不稳定性

1.2.6氢化非晶硅薄膜的应用

1.3本论文的主要工作

1.3.1选题依据

1.3.2主要研究内容

1.3.3技术路线

1.3.4论文的内容安排

第二章 薄膜制备及表征方法

2.1等离子体增强化学气相沉积装置

2.2氢化非晶硅薄膜生长机理

2.3薄膜样品制备及处理

2.3.1 PECVD法沉积氢化非晶硅薄膜

2.3.2蒸镀金属电极

2.3.3氢化非晶硅薄膜后处理

2.4薄膜性能表征方法

2.4.1原子力显微镜法

2.4.2激光喇曼光谱法

2.4.3 X射线光电子能谱法

2.4.4暗电导率测试法

2.4.5椭圆偏振光法

2.4.6傅里叶变换红外光谱法

2.4.7电子自旋共振分析法

2.4.8扫描电子显微镜分析法

第三章 氢化非晶硅薄膜制备与性能表征

3.1引言

3.2基片温度对a-Si：H薄膜结构和性能的影响

3.2.1表面形貌

3.2.2喇曼光谱

3.2.3电学性能

3.2.4电子自旋共振

3.3气体温度对a-Si：H薄膜结构和性能的影响

3.3.1表面形貌

3.3.2喇曼光谱

3.3.3电学性能

3.3.4电子自旋共振

3.4氮掺杂对a-Si：H薄膜结构和性能的影响

3.4.1表面形貌

3.4.2薄膜成分

3.4.3喇曼光谱

3.4.4电学性能

3.5 a-Si：H薄膜电学性能的不稳定性

3.6本章小结

第四章 氢化非晶硅薄膜H含量及Si-H组态研究

4.1引言

4.2 H含量的计算

4.3基片温度对H含量和Si-H组态的影响

4.4气体温度对H含量和Si-H组态的影响

4.5 N掺杂薄膜的FTIR表征

4.6热处理对H含量及Si-H组态的影响

4.7结构因子与H含量、键角偏移量及电学性能的关系

4.8本章小结

第五章 氢化非晶硅薄膜的椭圆偏振法研究

5.1引言

5.2基本原理

5.3物理模型

5.4反射法和透射法测量的比较研究

5.5 a-Si：H薄膜微结构的椭偏法研究

5.5.1沉积速率

5.5.2薄膜微结构

5.5.3光学带隙

5.6本章小结

第六章 氢化非晶硅薄膜的电子束辐照效应

6.1引言

6.2 电子束辐照对a-Si：H薄膜结构的影响

6.2.1 Si-H键断裂

6.2.2非晶网络有序程度变化

6.3电子束辐照对a-Si：H薄膜电学性能的影响

6.4电子束辐照a-Si：H薄膜的纵向深度剖析

6.4.1薄膜纵向电学性能的变化

6.4.2薄膜纵向非晶结构有序程度的变化

6.5入射电子能量对a-Si：H薄膜的影响

6.5.1对薄膜暗电导率的影响

6.5.2对薄膜非晶网络结构的影响

6.6本章小结

第七章 结论与展望

7.1全文工作总结

7.2本文的主要创新点

7.3展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间研究成果