非晶硅的物理特性

非晶硅的物理特性非晶硅的物理特性2010年06月02日（非晶硅的能带与单晶硅有何本质上的不同？氢原子在非晶硅中的作用怎样？什么是a-Si：H的亚稳特性？）非晶硅（a-Si）是常用来制作薄膜晶体管（TFT）的一种非晶半导体材料。非晶硅薄膜通常是采用气相淀积的方法来制备，包括真空蒸发、溅射、辉光放电和化学气相淀积（CVD）等。①非晶硅的结构和能带:晶体硅中原子的排列都遵从正四面体的分布规律（共价键的长度为0.35nm，键角为109o），具有长程有序性，电子状态及其运动可用Bloch波和波矢来描述。而非晶硅中原子的分布不完全是遵从着正四面体的规律（共价键长度变化约2%,键角变化约10%），是所谓短程有序的；即非晶硅中原子的分布基本上是正四面体的形式，但是却发生了变形，即产生出了许多缺陷一一出现大量的悬挂键和空洞等，如图1（a）所示。非晶硅的密度约低于单晶硅（2.33g/cm-3）的3%〜10%。SiS1SiSi悬挂键s]S1SI:sl悬挂键s]S1SI:sl正因为非晶硅的结构不具有长程有序性，因此，非晶硅中的电子状态就不能用Bloch波来描述，也因而不能采用波矢（k）或者动量（？k）来描述电子的运动。图2非晶半导体的能隙由于非晶硅的结构具有短程有序性，所以其中电子的能量状态仍然具有类似于晶体的能带形式，但是有很大的不同。图2示意地给出了一种非晶态半导体的电子能量E与状态密度g（E）的函数关系。可见，非晶态半导体具有导带、价带和其间的能隙；在导带和价带中的扩展态与晶体的Bloch态相同；并且在能隙中存在许多局域态。在靠近能隙的上、下两边处的局域态特称为带尾状态，意即扩展态的能带尾巴（但不是扩展态），来自于结构的无序化。可见，带尾状态与弱Si-Si键有关，也因此带尾的宽度可看成是非晶硅薄膜无限度的一种量度。一般，价带的带尾要比导带的带尾宽。该带尾的宽度又称为Urbach能（或Urbach斜率）；可以通过光吸收系数法、恒定光电流法（CPM）或光热偏转法（PDS）等的测量来确定。局域态在正常状态下是电中性的，对于价带尾的态，当它失去电子时即带正电，故呈现为施主性质；而对于导带尾的态，当它获得电子时即带负电，故呈现为受主性质。因此，价带尾和导带尾的局域态分别是类施主能级和类受主能级。非晶硅的悬挂键态一一缺陷态（一种局域态）分布在能隙之中，悬挂键密度的峰值位置对应着Fermi能级的位置。因为Si的悬挂键只有一个电子，呈现为电中性，所以悬挂键相当于起着施主作用，它的分布常常使得Fermi能级偏向与靠近导带，从而导致一般的非晶硅总是呈现为n型导电性。非晶态半导体的能隙往往称为迁移率隙（EC-EV）。因为能量EC和EV是把扩展态与局域态分隔开的能量，而扩展态和局域态的导电机理不同，其迁移率也相应地大不相同。处在高于EC的状态——扩展态的电子的输运，

因为受到缺陷的严重散射，则迁移率远低于晶体电子的迁移率；但低于EC的状态一一局域态（常称为陷阱）电子的输运，则需要利用原子热振动的热能、通过跳跃来进行，因此迁移率很小。EC就是这两种状态、两种迁移率的能量分界线，故称为电子的迁移率边（mobilityedge）。同样，EV称为空穴的迁移率边。迁移率隙中的局域态是严重影响电子迁移率的重要因素。因此，为了提高非晶硅的载流子迁移率，就应该设法降低局域态密度。扩展态EgEv抉咯态 迁瑪率隙扩展态扩展态EgEv抉咯态 迁瑪率隙扩展态带尾状态上•g(E、②氢化非晶硅（a-Si：H）：采用等离子体增强CVD方法、分解硅烷（SiH4）而得到非晶硅时，实际上在所得到的非晶硅中含有相当数量的氢原子，这种材料就是非晶硅-氢合金（a-Si：H），常称为氢化非晶硅。a-Si：H的密度约低于单晶硅的1%〜3%。氢原子在a-Si:H中对于改善其性质起着很大的作用，根源在于氢原子可以使悬挂键饱和，如图1（b）所示。这就是说，氢原子的掺入可以降低非晶硅中的局域态密度（可降低4个数量级，达到1022/m3）。从而，a-Si：H中的载流子迁移率有所提高。在氢含量约为10%的优质a-Si：H中，主要由悬挂键引起的局域态密度很低（小于1016cm-3/eV）。a-Si：H中电子迁移率的典型值达到了5〜10cm2/（V-s）。虽然掺氢非晶硅（a-Si：H）中的载流子迁移率较高于未掺氢的非晶硅，但是总的说来，终究因为a-Si：H不是晶体，其中存在大量的缺陷，它的载流子迁移率还是很低的，特别是与单晶硅比较起来更是如此（单晶硅的电子迁移率约为1400cm2/（V-s））。由于非晶硅的低迁移率，所以非晶硅在高速或高增益器件方面的应用受到一定的限制；但是，它因为便于淀积在各种大面积衬底上和制作成本低廉，故在低速电子器件、平面显示器、太阳电池、图像传感器等方面大有作为。a-Si：H的一个重大缺点就是其性能不稳定，即具有一种所谓亚稳特性。导致a-Si：H出现亚稳特性的原因是其结构缺陷的问题。因为在a-Si：H结构中存在着较弱的Si-Si键（键能约为leV）、以及悬挂键和氢键，它们之间将达到亚稳平衡；因此，就很容易通过外加能量使a-Si：H结构偏离其原始平衡状态而产生衰退，同时也可以通过加热使它又从衰退状态回到原始状态，这种状态之间的变化称为亚稳“亚稳效应"（metastabilityeffect）。a-Si：H的亚稳特性也就是造成它的器件性能不稳定的重要原因。例如，对于a-Si：HTFT，在较长时间施加栅偏压以后，阈值电压以及亚阈斜率将发生漂移，就是这种亚稳特性的表现。又如，a-Si：H太阳电池，在受到太阳光照射之后，其暗电导和光电导会随着光照时间的延长而不断下降，但若在200oC下退火几小时之后，又会恢复到原来的数值，这种现象往往称为SW效应（stabler-wronskieffect）。也正是由于这个原因，采用a-Si：H制作的有源选址液晶显示器（AMLCD），不能在太阳光照射下长时间地工作。研究表明，a-Si：H出现亚稳特性的重要过程就是外界作用使得a-Si：H中产生出新的悬挂键。因此，引起a-Si：H性能不稳定的根本原因就在于较弱的Si-Si键的存在以及氢键的参与。可见，a-Si：H中10%左右的氢，可以起到使悬挂键饱和的良好作用，但与此同时氢又将引起不良的亚稳衰退效应。总之，a-Si：H的稳定性仍然是一个有待解决的重要问题。（2）多晶硅：多晶体是包含有晶粒（单晶体）和晶粒间界（缺陷）的晶体。在MOS器件及其集成电路中，现在多采用掺杂多晶硅做栅极金属材料，以来代替Al。在此，它所表现出的优点是：①与Si工艺兼容，并且能耐较高温度的退火处理（在自对准源/漏注入之后，高温退火是必须的）；②多晶硅能够通过掺杂而获得n型或p型，同时利用掺杂可以改变其功函数（这对于对称CMOS技术至关重要）。但是，多晶硅在微电子应用中也存在着若干缺点：①多晶硅具有较高的电阻率（较高的电阻对于器件的直流特性虽无大的妨碍，但是作为输入端的栅极而言，将要严重影地响到器件的高频性能，如噪声和最高振荡频率）；②多晶硅栅薄