第六章_薄膜材料_第二节_光电薄膜材料.ppt

第六章薄膜材料 超硬薄膜 光电薄膜 智能薄膜 纳米薄膜 磁性薄膜 分离薄膜 主要内容 一般认为 硬度在2000Hv以上的硬膜材料可以称为超硬膜 主要有金刚石薄膜 类金刚石薄膜 碳氮薄膜和其他硬膜材料 低压合成金刚石膜的方法 热丝化学气相沉积 HFCVD 微波等离子化学气相沉积 MW PCVD 电子回旋共振微波等离子CVD ECR MP CVD 直流等离子射流 DCPlasmaJet CVD 射频等离子射流 RFPlasmaJet CVD 热丝化学气相沉积金刚石薄膜的一般原理 HotFilamentChemicalVaporDeposition HFCVD 含碳反应气体 如CH4 在金属热丝的高温环境中被加热 分解形成活性粒子 在原子氢的作用下沉积成金刚石膜 加热热丝至2000 C 激活流过它附近的由H2和少量CH4组成的工作气体 使其部分分解为活性氢原子H 和甲基CH3 H2 g 2H g CH4 g H g CH3 g H2 g H 与CH3 扩散至衬底表面 发生化学反应 H 夺取金刚石表面吸附的H原子 使金刚石表面出现高度活性的表面C 原子 C H s H g C s H2 g CH3 中的C原子进入金刚石晶格 CH3 g C s C C H3 s 如此循环反复 原有的金刚石核心就逐渐成长为金刚石晶粒 无数的金刚石晶粒最终形成金刚石薄膜 活性氢原子在低压气相沉积过程中的作用 1 不仅可以促成金刚石相的生长 而且还可以吸附在金刚石表面 从而稳定金刚石相 2 可优先刻蚀石墨 抑制石墨相的生长 类金刚石膜 diamond likecarbonfilms DLC 是一种含有大量sp3键的亚稳态非晶碳薄膜 碳原子间主要以sp3和sp2杂化键结合 sp3键的含量越多 薄膜的性能就越接近于金刚石 为短程有序 长程无序的薄膜 DLC有许多与金刚石类似的性质 如硬度较高 耐磨 透光性好等 在很多金刚石膜可以应用的领域 DLC膜均可以应用 DLC膜具有独特的优点 如DLC膜为低迁移率半导体 其带隙为1 4eV 具有室温下的荧光效应和低电子亲和势 良好的耐磨性 低摩擦系数 良好的导热性 红外透光性和高硬度 也是很好的生物相容性材料 二 类金刚石薄膜 功能薄膜是指具有电 磁 声 光 热 过滤 吸附等物理性能和催化 反应等化学性能的薄膜材料 分类 按性能 1 电功能膜 绝缘膜 半导体膜 导电膜 压电膜等 2 磁功能膜 磁记录膜 巨磁电阻膜等 3 光功能膜 光敏膜 光记录膜 光反射膜 光导电膜 薄膜激光器等 4 分离膜 气体分离膜 液体分离膜 气 液分离膜等 5 催化膜 催化膜 反应膜 第二节光电薄膜材料PhotoelectricFilmMaterial 物质在受到光照以后 会引发某些电性质的变化 即光电效应 光电效应种类 1 光电导效应 photoconductiveeffect 物质受光照射作用时 其电导率产生变化的现象 2 光生伏特效应 photovoltaiceffect 如果光照射到半导体的p n结上 则在p n结两端会出现电势差 p区为正极 n区为负极 这一电势差用高内阻的电压表测量出来 称为光生伏特效应 3 光电子发射效应 photoelectricemissioneffect 当金属或半导体受到光照射时 其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发 如果被激发的电子具有足够的能量 足以克服表面势垒而从表面离开 产生了光电子发射效应 对光电导薄膜材料的研究和开发工作一直是功能薄膜材料研究中非常活跃的领域 主要包括 Ge和Si单晶以及其掺杂体半导体薄膜 化合物半导体薄膜有 CdS CdSe CdTe ZnSe HgSe HgTe PbS PbSe InP InAs InSb GaAs GaSb等 硅薄膜是半导体薄膜中最重要的一种 单晶硅薄膜 广泛地用于制造各种半导体器件和集成电路 多晶硅薄膜 用在半导体器件 集成电路及太阳能电池 非晶硅薄膜 用于制造太阳能电池 主要内容单晶硅薄膜多晶硅薄膜非晶硅薄膜化合物半导体薄膜 在半导体技术中 单晶硅薄膜是采用外延法制备的 制备单晶硅薄膜的外延法可以分为气相外延 固相外延和分子束外延等 在绝大多数情况下衬底材料采用单晶硅片 外延薄膜的生长是沿着原来硅片的结晶轴方向进行的 犹如从单晶衬底向外延伸新的单晶薄膜 一 单晶硅薄膜 Single CrystalSiliconFilm 硅单晶具有金刚石型晶体结构 外延单晶硅薄膜与块状单晶硅相比总存在不少缺陷 而外延硅膜的缺陷直接影响用薄膜制成的半导体器件的电物理性能 外延硅膜的缺陷情况与衬底以及外延条件 其中首先是生长温度 有关 外延硅膜缺陷种类 表面缺陷 角锥体 云雾 小丘等 体内缺陷 堆垛层错 位错 一 单晶硅薄膜的结构 角锥体是一种在外延硅膜中常见的 表面上有角锥体状突起物的缺陷 其结构和几何形状用光学方法或电子显微方法进行研究 较大的角锥体用肉眼也能见到 1 角锥体 pyramid 角锥体的形成 通常是在较低的外延生长温度下形成 在硅 111 晶面衬底表面上最易形成 在 111 面上三棱锥突起可达几微米 随膜生长条件的不同 角锥体缺陷密度可变化三个数量级 最高可达l03cm 3 在有氧化物和碳化物污染时缺陷密度较大 通常认为角锥体基本上形成于衬底表面 起重要作用的是碳化硅杂质粒子 角锥体是以碳化硅粒子为核心而形成的 在用石墨衬底时碳化硅可按如下反应生成 在石墨上C 2H2 CH4 在硅片上CH4 Si SiC 2H2 堆垛层错是单晶硅膜在沿着 111 晶向外延的生长过程中所发生的硅原子排列失配而造成的层错 使原子的次邻近关系受到破坏 2 堆垛层错 stackingfault 立方密堆积层错 堆垛层错在某处产生后 在以后的外延过程中会逐渐扩展开来 直到外延硅膜的表面成为区域性缺陷 硅 111 面外延膜中堆垛层错通常为正四面体 经化学腐蚀的表面上显示出的层错图形大多是等边三角形 也有单独的直线线段 四角形以及梯形等 产生层错的主要原因 l 衬底表面结构欠完美及表面被污染 衬底表面抛光质量不良 表面受到机械损伤 如划痕 表面存在结晶缺陷 如空位 表面残留玷污物 如氧化物 碳化物或其他杂质 等都会引起层错 2 外延硅膜生长温度过低 在四氯化硅还原法中 生长温度低于1200 时层错明显增多 低于1100 时膜的质量就很差 3 外延膜生长速率过快 生长速率过快使得硅原子不能很好地排列在正常位置上 增加了空位和膜的欠完美性 使层错增多 消除层错的方法 l 在严格控制好适当的生长温度和生长速率的情况下 设法减少衬底的污染 增加衬底的表面质量 2 退火处理可以使外延硅膜的层错密度降低 但退火对堆垛层错的影响与退火气氛有关 在1250 下的氩气中长时间退火后未观察到堆垛层错形态 尺寸或密度的变化 在氢气中的退火则大大降低三角形层错密度 例如 1210 生长的膜在l200 退火15min后层错密度即降低至l00cm 2 原因 退火时衬底表面上的氧化物微粒被氢气还原 而这些氧化物正是形成堆垛层错的一个原因 位错是在晶体中滑移区与末滑移区交界处形成的线形原子排列畸变区 它属于线缺陷 3 位错 dislocation 刃型位错 edgedislocation 螺型位错 screwdislocation 根据表面位错腐蚀坑的形状可以确定硅片的晶体学取向 椭圆形代表硅片表面为 100 晶面 三角形代表硅片表面为 111 晶面 产生位错的主要原因 l 衬底原有的位错在外延生长过程中延伸到外延膜中 这是形成位错的主要原因 通常膜的位错密度比衬底较大 但保持在同一数量级 但在洁净和很好退火的衬底上生长的外延膜中 位错密度与衬底原有位错密度相近 2 衬底热应力引起的高温滑移 外延中的温度很高 快速加热和冷却都将产生很大的热应力 在塑性变形温度以上硅片衬底各部分温度的不均匀也会产生热应力 衬底发生塑性变形 滑移结果形成新的位错 高温滑移可因衬底上存在机械损伤或污染而增多 使位错密度增加 甚至造成大量位错的集中 3 掺杂应力引起的滑移 当掺杂原子和硅原子大小不同时 可引起晶格的收缩或膨胀 从而产生应力和滑移 形成位错 例如 外延生长时掺磷和硼或锑可形成大量位错 但掺砷并不引起位错的大量增加 对已沉积的外延膜扩散掺杂时也会产生另外的位错缺陷 1 堆垛层错和位错在正常温度下对载流子浓度影响很小 但可以大大改变载流子的迁移率和寿命 例如 使迁移率降低 而寿命则有较复杂的变化 2 层错和位错较高时可严重影响p n结的反向特性 使p n结二极管的反向击穿电压变得很低 原因 这些缺陷处容易发生杂质的沉淀 处在p n结空间电荷区中的沉淀物在其周围引起局部强电场 使得在较低反向偏压下发生局部雪崩倍增 反向电流增大 甚至导致击穿 缺陷也可能使p n的平面结构发生畸变 导致二次击穿 4 缺陷对硅薄膜半导体器件性能的影响 3 角锥体和堆垛层错可以引起器件表面出现热斑 热斑会导致器件反向特性变软 击穿电压降低 4 云雾状缺陷也使得二极管和二极管的漏电流增大 击穿电压降低 5 位错 堆垛层错及一些表面缺陷由于对所注入的载流子具有复活特性 所以使得晶体管的交流放大系数 下降 1 硅的价带顶位于布里渊区中心 而导带的最低极值位于 100 轴 最低能量的跃迁是间接跃迁 因此硅是一种间接带隙半导体 2 由于外延硅膜中存在不少结构缺陷和杂质 因此其载流子的迁移率比单晶硅片的要低些 对于结构完美的高纯单晶硅 在T 300K时电子和空穴的漂移迁移率分别为1350cm2 V s 和500cm2 V s 电子和空穴的霍尔迁移率分别为1900cm2 V s 和425cm2 V s 二 单晶硅薄膜的性能 每秒钟每伏特电压下电子的运动范围大小 3 制备单晶硅薄膜的最终目的是要求具有适于某种应用目的的性能参数 除了要求达到规定的厚度和厚度均匀外 外延单晶硅薄膜最重要的性能是缺陷程度 电阻率以及杂质分布曲线 这些性能主要取决于外延膜生长条件 为了达到某一规定性能而必须改变外延条件时 就不可避免地会引起外延膜其他性能的变化 1964年多晶硅薄膜开始在集成电路中被用作器件的隔离 1966年出现第一只多晶硅MOS MetalOxideSemiconductor 场效应晶体管 目前多晶硅薄膜在一些半导体器件及集成电路中得到了广泛的应用 二 多晶硅薄膜 PolysiliconThinFilm 在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的n型区 从n型区引出电极 一个是漏极D drain 一个是源极S 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G P型半导体称为衬底 用符号B表示 1 利用重掺杂低阻多晶硅薄膜 电阻率可至l0 7 cm 作MOS晶体管的栅极 并可形成互连 在此基础上发展的硅栅N沟道技术促进了集成电路的迅速发展 代替原来的铝膜作MOS晶体管的栅极后 优点 一 多晶硅薄膜的应用 用铝作栅极时 其长度总是比沟道长度大一些 栅极与源区 漏区部分再叠产生的寄生电容会影响MOS放大器的增益 改用多晶硅栅极后这种影响就大大降低 且集成度及电路快速动作都有提高 多晶硅的沉积可以与其他工序 如硅的氧化等 在同一工艺周期中完成 因此可以保持栅氧化物不受污染 使集成电路稳定性提高 重掺杂多晶硅代替铝作栅极后 MOS晶体管的开启电压降低 使充放电幅度降低 因此工作频率提高 另外 集成电路的功耗也将随工作电压降低而降低 且器件尺寸和线距都可减小 因此集成度可以提高 重掺杂多晶硅薄膜可作栅极材料 还可同时作为集成电路的内部互连引线 极大提高了集成电路的设计灵活性 简化工艺过程 2 多晶硅薄膜在集成电路中的应用 例如 在MOS集成电路中 重掺杂多晶硅薄膜常用作电容器的极板 MOS随机存储器电荷存储元件的极板 浮栅器件的浮栅 电荷耦合器件的电极等 轻掺杂薄膜常用于集成电路中MOS随机存储器的负载电阻器及其他电阻器 3 在双极集成电路中 掺杂多晶硅薄膜可用作制造集成晶体管的掺杂扩散源 在超高速集成电路或微波器件中 掺杂多晶硅薄膜本身就是晶体管发射区的一部分 因此这样得到的是多晶硅发射极自对准晶体管 其发射极放大系数比通常晶体管高3 10倍 4 多晶硅薄膜适于制造面积大的p n结 因此它用于制造太阳能电池 且比单晶硅要便宜很多 但是 多晶硅中存在的晶粒间界影响太阳能电池的能量转换效率 多晶硅薄膜常用化学气相沉积法制备 太阳能电池的结构图 硅中掺入不同的杂质 可形成P型 砷或磷 与N型 硼 半导体P型半导体少了一个电子 而形成一个电洞 hole 可视为多了一个正电荷 而N型半导体多一个自由电子 当太阳光照射时 光能将硅原子中的电子激发出来 而产生电子和电洞的对流 此时外部如果用电极连接起来 形成一个回路 这就是太阳电池发电的原理 利用太阳电池吸收0 4 m 1 1 m波长 针对硅晶 的太阳光 将光能直接转变成电能输出的一种发电方式 采用低压化学气相沉积法生长的硅膜结构受到生长温度 掺杂 杂质以及沉积后热处理的强烈影响 低压热分解硅烷法条件下 生长温度低于575 时形成非晶硅膜 625 时沉积能得到良好的多晶硅薄膜 晶粒大小随生长温度升高而增大 600 时制备的硅膜平均晶粒大小为55nm 二 多晶硅薄膜的结构 1 温度对多晶硅薄膜晶粒的影响 构成多晶硅薄膜的晶粒可以具有不同的取向 择优取向的具体晶向主要取决于生长温度 在温度为600 675 之间多晶硅薄膜的择优取向是 110 晶向 且在625 时择优取向最强 在生长温度为575 时没有择优取向 为什么 在较低温度下热分解硅烷沉积的硅膜是非晶膜 并且结构不稳定 进行退火处理可以再结晶 膜的结构和性能发生较大变化 在600 以沉积的多晶硅薄膜是稳定的 退火温度为1000 时膜的结构没有发生明显的变化 1100 时退火使晶粒增大 2 掺杂对膜结构的影响 掺杂 成膜中的气相掺杂和成膜后扩散法或离子注入法掺杂 不仅影响膜的结构 而且也影响膜的物理性能和工艺性能 其中最值得注意的是对晶粒大小的影响 多晶硅薄膜的掺杂促进晶粒的长大 例如 用低压热分解硅烷法于625 制备的厚度为0 5 m的多晶硅薄膜 未掺杂薄膜的平均晶粒为0 12 m 掺磷并经退火的薄膜平均晶粒可以达到0 4 1 0 m 掺砷也有类似的作用 但影响程度较小 多晶硅薄膜的掺杂促使晶粒增大的原因 多晶薄膜中晶粒的长大足由原子通过晶界的扩散运动所造成的 主要取决于促使原子运动的驱动力和原子的自扩散系数 驱动力主要由晶粒之间界面能所引起 晶粒间界有使其面积变得最小的趋势 一方面 掺杂使费密能级位置移动 这使得空位浓度增加 并因此硅的自扩散系数增大 另一方面 杂质在晶粒间界分凝 这将改变晶粒间界的界面能 增加驱动力 3 衬底种类对多晶硅薄膜结构和择优取向的影响 在晶向为 111 的单晶硅衬底或带有Si3N4介质层的硅衬底上 多晶硅膜的择优取向是 110 而在蓝宝石衬底上的膜的择优取向是不规则的 在覆有Si3N4的硅衬底上 可制得平均晶粒约为0 03 m的细晶粒镜面光滑的多晶硅薄膜 在蓝宝石上沉积的膜的表面质量差些 这与膜和衬底界面处的应力有关 在石英玻璃衬底上沉积的多晶硅膜的质量最低 但在采用热氧化法生长的SiO2上可以制得质量较好的多晶硅薄膜 1 电学性能在各种应用中 对多晶硅薄膜的要求首先是控制适当的电阻率 有时要求电阻率尽可能低 有时要求电阻率较高 多晶硅薄膜的电阻率与单晶硅薄膜有很大不相同 未掺杂多晶硅薄膜的电阻率很高 l06 108 cm 比未掺杂单晶硅薄膜的电阻率要高几个数量级 掺杂多晶硅薄膜的电阻率随掺杂浓度增加而降低 具体与掺杂剂种类和工艺条件也有很大的关系 重掺磷多晶硅膜的最低电阻率为4 10 4 cm 而掺硼和掺砷多晶硅薄膜的最低电阻率为2 10 3 cm 三 多晶硅薄膜的性能 轻掺杂样品电阻率达l06 比单晶硅薄膜高5 6个数量级 从掺杂浓度约1018开始 随掺杂浓度增加 电阻率迅速降低 载流子浓度迅速增高 掺杂浓度较高 l019 时 电阻率和载流子浓度随掺杂浓度增加的变化变缓 多晶硅薄膜的电阻率与单晶硅薄膜相近 载流子浓度与掺杂浓度相近 掺杂B对多晶硅薄膜电阻率和载流子浓度的影响 多晶硅薄膜电学性能与单晶硅薄膜不同的原因 多晶硅薄膜由许多大小不等且晶向不同的小晶粒构成 晶粒之间是原子作无序排列的晶界 晶界对于掺杂多晶硅薄膜电学性能的影响 一是在晶界处发生杂质的分凝 直到分凝杂质在晶界饱和 原因 由于晶粒和晶粒间界的结构不同 导致晶粒内和晶界处的原子化学势不同 故引起杂质的分凝 杂质分凝结果 使所掺杂质中的一部分沉积于晶界处 使得晶粒内的实际掺杂浓度比平均掺杂浓度低 分凝在晶界处的杂质原子在电学上是不活动的 因此载流子浓度低于掺杂浓度 多晶硅薄膜的电阻率高于单晶薄膜在同样掺杂浓度下的电阻率 二是由于原子在晶界作无序排列 因此存在大量悬挂键和缺陷态 形成大量载流子陷阱 这些陷阱可以俘获晶体内杂质电离产生的载流子 因此使参加导电的自由载流子数目减少 同时 陷阱俘获载流子后成为荷电的 于是在其周围形成一个多子势垒区 它阻挡载流子从一个晶粒向另一晶粒的运动 使载流子的迁移率降低 由于陷阱引起的自由载流子数目减少和迁移率的降低 使得多晶硅薄膜的电阻率比同样掺杂的单晶薄膜更高 2 光学性能对于多晶硅薄膜 最重要的光学性能是折射率和吸收系数 将620 时用低压热分解硅烷法沉积在石英玻璃衬底上的多晶硅薄膜 厚度为0 27 m 在离子注入掺磷后于950 N2中退火30min 作用 不同掺杂薄膜的折射率光谱曲线见下图 在可见光区域未掺杂和掺杂多晶硅薄膜的折射率近似的相等 掺杂薄膜的折射率稍低 在红外光区域 随掺杂注入剂量的增加折射率降低 这归因于光辐射与自由载流子的相互作用 在短波长范围吸收系数随掺杂剂量增加而降低 与轻掺杂单晶硅吸收光谱曲线 F 相比较 掺杂多晶硅薄膜的吸收系数要高将近一个数量级 在较长波长范围 大多数重掺杂样品的吸收系数较轻掺杂的大 这是由于自由载流子吸收的影响 不同掺杂量样品的吸收光谱曲线 3 光电性能多晶硅的光电导机理与单晶硅的不同 是多子效应的结果 多晶硅中存在晶界势垒 其载流子输运和膜的电导受晶粒间势垒控制 光照作用使晶粒内产生附加载流子 光生附加载流子在晶界处通过界面陷阱复合 这一过程影响界面的电荷并使晶界的势垒高度降低 于是由晶界势垒控制的多子电流增加 形成光电导 影响多晶硅薄膜的平均光电导率的因素 晶粒大小 多晶硅的电导率和晶界处的复合电流密度都与晶粒大小成正比 因此光电导率随晶粒增大而增加 光照强度和吸收系数 两者增加都使光生载流子数增多 势垒降低较多 因而光电导增加 薄膜厚度 由于入射光强度随离表面距离增加而衰减 故势垒的降低作用减弱 因此平均光电导率随膜厚增加而减弱 陷阱密度 陷阱密度越高从而俘获截面越大 势垒高度越高 因此光电导降低 非晶硅是一种最重要的非晶半导体 不仅已有大量研究 而且得到了较多实际应用 例如非晶硅太阳能电池就对于整个非晶半导体的研究和发展都起了很大推动作用 三 非晶硅薄膜AmorphousSiliconFilms 1 非晶硅薄膜的结构单晶硅中原子的空间排列具有一定规律的周期性 既是短程有序又是长程有序 非晶硅中原子的排列可以看作构成一个连续的无规网络 长程无序 有时也把非晶半导体称为无序半导体 但是就一个硅原子讲 它与最邻近或次邻近原子的情况基本相同 其键长基本一致 键角偏差也不大 因此非晶硅保持着短程有序 一 非晶硅薄膜的结构和应用 长程无序而短程有序的结构特点对于非晶半导体的能态 能带及性能都有决定性的影响 例如 价带和导带中不仅有扩展态而且有局域态 价带顶和导带底各有一个局域态组成的能带尾 禁带中也存在局域化的缺陷带 这种能带结构对非晶硅的一些性能有很大的影响 薄膜是非晶半导体的主要使用形式 非晶硅薄膜中得到研究和应用的主要是氢化非晶硅 a Si H 薄膜 氢化非晶硅比未氢化非晶硅具有好得多的性能 非晶半导体的掺杂和p n结的创造也是首先在氢化非晶硅中实现的 2 非晶硅薄膜应用 a Si H的良好的光电性能使之首先在制造光电子器件中得到了应用 研究表明 a Si H薄膜可以用于制造光敏电阻器 光敏二极管 摄像靶 图像传感器 辨色器 静电复印鼓等 在制造发光器件方面 非晶硅及硅基合金薄膜也有一定的潜力 但是目前发光效率很低 非晶硅薄膜还可用作半导体器件的表面钝化材料 以减少p n结的表面漏电流 非晶硅比较成熟的应用是制造太阳能电池 特点 a Si H薄膜的光电导性能优良 在可见光范围的吸收系数比单晶硅的大 膜厚仅需1 m左右 所以太阳能电池的用料很省 非晶硅的成膜工艺比较简单 且可以采用玻璃 不锈钢或聚酰亚胺为衬底材料进行大面积生产 因此非晶硅太阳能电池比单晶硅电池的制造成本要低很多 单晶硅太阳能电池的能量转换效率已达20 但是成本高 非晶硅太阳能电池自20世纪70年代中期问世以来一直受到很大的重视 目前 可供实际使用的非晶硅太阳能电池的能量转换效率不断提高 非晶硅太阳能电池的面积不断扩大 新结构新品种不断出现 适合于大规模工业生产的非晶硅太阳能电池制造工艺已日趋完善 非晶硅只能采用沉积的方法来得到 最重要的沉积方法有真空蒸发纯硅 溅射硅靶以及辉光放电分解硅烷等 辉光放电分解法是目前沉积a Si H薄膜最重要和常用的一种方法 该法制备的非晶硅薄膜的光电导大 光伏建筑一体化系统 中国兴业太阳能技术控股有限公司 非晶硅薄膜光伏屋顶 提供地下停车场用电 峰值功率103KW 并网发电系统 青岛火车站 光伏系统发电面积7800余平方米 直流额定发电功率273千瓦 年发电量约33万千瓦时 是目前世界上最大的非晶硅光伏屋面工程 威海市民文化活动中心 苏州圆融时代广场LED多媒体动态天幕 天幕长500米 宽32米 高约21米 2007200820092010201120122013201420152016201720182019 光伏建筑一体化电价与常规电价趋势预测 1 电学性能非晶硅与单晶硅在本征导电机理上的根本区别是 除扩展态电导外还有局域态电导 这是由非晶半导体的能带结构特点决定的 根据非晶半导体理论 总电导由扩展态电导 带尾部局域态电导 费密能级附近的局域态电导 以及低温下的变程跳跃电导组成 二 非晶硅薄膜的性能 对于用辉光放电法沉积的a Si H薄膜 实验结果表明 在温度T 240K时电导率温度关系的斜率发生变化 其变化是由于导电机理的变化 在温度高于240K时非晶硅薄膜的导电机理主要是扩展态电导 扩展态电导的电导率可用下式表示 导带扩展态和带尾局域态分开的能量 上式说明非晶硅的扩展态导电机理与单晶硅的相类似 但由于非晶硅的结构无序性以及缺陷较多 其扩展态的迁移率比单晶硅要低得多 仅为1 10cm2 v s 利用气相掺杂可以在较宽范围内控制a Si H薄膜的电导率 其范围为从本征样品的10 12S cm至重掺杂时的l0 2S cm 未掺杂的a Si H膜为弱n型 电阻率较高 掺少量硼可起杂质补偿作用 使电导率降至最低的本征电导率 再继续掺硼使空穴电导很快增加 掺磷样品的电导率在掺杂剂量最大时由于缺陷态的影响而不再增加 用向SiH4添加少量AsH3的办法使a Si H膜掺砷 在加入AsH3占0 1 时膜的电导率可提高7个数量级 至10 4S cm 大量掺杂会使电导率又下降至10 9S cm 这是由于掺砷后生成合金所致 2 光学性能a Si H的吸收系数光谱曲线符合非晶半导体吸收系数变化的一般规律 其吸收系数曲线也包括三个吸收区 a 由电子从价带扩展态到导带扩展态的带间跃迁所决定的高吸收区 b 主要由电子从价带扩展态到导带尾部局域态或从价带尾部局域态至导带扩展态的跃迁所决定的指数吸收区 c 由带内跃 自由载流子吸收 和带尾之间的跃迁所决定的弱吸收区 下图表示了太阳光谱可见光区非晶硅 单晶硅的吸收曲线 该图表示了a Si H的吸收曲线的高吸收区和指数吸收区的一部分 弱吸收区 吸收系数 10 2cm 1 未示出 单晶硅是一种间接带隙半导体 吸收系数较小 非晶硅缺乏长程序 电子跃迁中不再受准动量守恒的限制 因此非晶硅中电子带间跃迁的概率就具有与直接带隙半导体相似的特点 对于非晶硅太阳能电池极有利的是 在太阳光谱可见光区非晶硅吸收系数比单晶硅约高一个数量级 a Si H薄膜的折射率与结晶硅的相近 在薄膜的氢含量从10 增加至50 时 折射率下降约5 原因 氢含量增加引起光学禁带宽度的变宽 3 光电性能a Si H薄膜具有较高的光电导率 在光照条件AM1下可达l0 3S cm 除光照强度外 未掺杂a Si H的光电导率与薄膜沉积条件有密切的关系 其中影响大的首先是衬底温度 衬底温度的高低直接影响到氢化非晶硅薄膜的含量和缺陷密度 这将直接影响载流子的复合寿命和迁移率 因而影响光电导率 通常以250 为佳 AM air mass 定义 Path lengththroughtheatmosphererelativetoverticalthicknessoftheatmosphere AM0 outsideatmosphere AM1 vertical 未掺杂a Si H薄膜光电导率与光照强度的关系可表示为 讨论 光照强度不强时 幂指数n接近1 这时是单分子复合 光照强度越过AM1的千分之一时 通常n接近0 5 这是双分子复合过程 由于禁带中复合中心分布情况比较复杂 因此不可能总是单分子或双分子复合过程 或者它们的简单组合 例如在光照强度变化4个数量级时 一些a Si H薄膜的n 0 75 掺杂对氢化非晶硅的光电导有重要影响 轻掺磷可以显著提高光电导 x下图表示掺磷或硼的a Si H室温光电导率 横坐标是无光照时费密能级位置 Ec EF 0 其变化代表了不同的掺杂情况 未掺杂样品 Ec EF 0 0 65eV 轻掺磷使光电导率增大两个数量级 同时n从0 85降至0 55 这表明 复合机理从以单分子为主转变为双分子过程 在重掺硼时光电导率不再增加 但轻掺硼却使光电导率降低 P B 一 V族化合物半导体目前除硅以外 由周期表 族和V族的主族元素形成的 V族化合物半导体是很受重视的一类半导体材料 四 化合物半导体薄膜 以砷化镓 磷化镓及氮化镓为代表的 V族化合物半导体是研究和应用得最为广泛的化合物半导体材料 二元的 V族化合物之间可以形成三元或四元的多元固溶体 由于比二元晶体薄膜材料具有较灵活和可以人为调整控制性能的优点 因而受到很大的重视 并且在制造半导体器件 特别是在发光器件和激光器方面得到了重要的应用 多元固溶体薄膜主要有 GaAsP GaAIAs InGaAsP等 按晶体结构 V族化合物半导体薄膜也可以分为 单晶 多晶和非晶薄膜 V族化合物半导体材料特点 这类材料在结构特点和性能方面有一些与元素半导体锗 硅相似的地方 但是还具有元素半导体所没有的许多优良性能 与硅相比 不少 V族化合物半导体材料具有比较宽的禁带宽度 较高的载流子迁移率 较短的载流子寿命以及较好的电性能稳定性 有的 V族化合物半导体为直接带隙半导体且具有多能谷导带的