薄膜材料

非晶硅基合金薄膜：ɑ-SiC:H、ɑ-SiN:H、ɑ-SiGe:H、ɑ-SiO:H、 ɑ-SiSn:H • 超晶格材料：ɑ-Si:H/ɑ-Ge:H、ɑ-Si:H/ɑ-SiC:H、ɑ-Si:H/ɑ-SiN:H、
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ɑ-Si:H/ɑ-C:H • 微晶硅μc-Si:H • 多晶硅poly-Si:H
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1 硅基非晶态半导体薄膜
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料在光电器件方面的独特性
性能如下：
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能
非晶硅及硅基合金材料，对太阳光有很高的吸收系数，并产生最 佳的光电导值。 很容易实现高浓度可控掺杂，并能获得优良P-N结。 可以在很宽组分范围控制它的能隙变化。 很容易形成异质结，并有十分低的界面态。 沉积温度低。
湖南大学电子封装材料与薄膜技术研究所
Institute of Electronic Packaging Material & Thin Film Technology
薄膜与电子材料
硅、碳基 薄膜材料
2017-2018-2
主要内容

硅基非晶态半导体薄膜
多晶硅和微晶硅薄膜 碳基薄膜材料 导电薄膜
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可以部分实现连续的物性控制。当连续改变组成非晶半导体的化学组分 时，其密度、相变温度、电导率、禁带宽度等也随之而连续变化。 非晶半导体材料在热力学上处于亚稳态，在一定条件下可以转变为晶态
（退火），其主要原因是非晶态状态下具有更高的晶格位能。
非晶硅及其合金膜的结构、电学和光学性质，十分灵敏的依赖于制备条 件和制备方法，因此性能重复性相比于晶态材料要差得多。 非晶态半导体的物理性能往往是各向同性的，主要是因为其结构为共价 键无规则网络结构，不受周期性结构的约束。
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热丝CVD法等
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2 多晶硅和微晶硅薄膜
多晶硅的光、电特性
暗电导率
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电学性能的好坏是衡量多晶硅薄膜的重要指标。晶化后多 晶硅薄膜的暗电导率有较大幅度的提高（见下图）。 光吸收系数和光能隙是多晶硅薄膜最重要的光学性能。多 晶硅薄膜的吸收系数基本趋势仍与非晶硅薄膜一致，保留 了与直接带隙半导体相近似的特点，并吸收系数高于单晶 硅薄膜。
•
Mott-CFO模型中费米能级被钉扎，即，由于掺杂而出现的载流子 浓度的微小变化并不能使非晶态半导体的费米能级产生移动，并
不能导致电导率发生明显的变化。即Mott-CFO模型中非晶态半导
体的掺杂是无效的。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
Mott-Davis模型
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• •
扩展态中，电子与空穴具有一定的迁移率；但很低，电子大约
1~10cm2/(V· s)，空穴0.01~0.1cm2/(V· s) 在定域态中，载流子只能通过热激发或隧道效应，在定域化能级 之间跳跃式移动。 在定域态中，Ec、Ev意义与在晶体硅中不同，被称为迁移率边， 且Ec-Ev不再具有禁带的意义，而被称为迁移率隙（或能隙、光学 带隙）。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
非晶硅的能带结构
•
根据能带理论，要得到质量可控和
性能优良的非晶硅薄膜，需要通过改进 非晶硅薄膜的制备技术，一次来提高非
晶硅薄膜的质量，降低可能的缺陷态密
度。
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不同制备条件下制备的非晶硅薄膜
的能带结构，特别是缺陷定域能带的结 构有较大的差异。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的电学特性
温差电动势率
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所谓温差电现象是指样品两端有温差时，样品内部将形成电场。 若把样品两端相连形成回路，则在线路中将有电流通过。产生电 流的电动势称为温差电动势，单位温差所引起的电动势称为温差
电动势率。
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和直流电导率一样，非晶态半导体的温差电动势率也具有扩展态 中的传导、带尾定域态中的传导和费米能级附近的定域态传导等 几种不同的传导机制。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态材料结构特性
短程有序、长程无序；使其能带结构上，不仅有导带、价带、禁带，还
有导带尾态、价带尾态和带中缺陷；在电子输运时，增加了跳跃导电机 制，造成迁移率变小，室温下电阻率高。 组成原子都是由共价键结合，形成连续的共价键无规则网络，使价电子 束缚在健内且满足最大成键数目的（8-N）规则，N为原子的价电子数； 如ɑ-Si具有四个共价键，呈现四面体结构。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
ɑ-Si:H合金薄膜能带
• •
因为存在大量的悬挂键形成缺陷，为了降低缺陷，通常以H原子 饱和非晶硅中的悬挂键，形成ɑ-Si:H H的加入使其带隙变宽（从1.5eV变为1.68eV以上）
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型

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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的特点
可以在任意衬底上形成薄膜 容易实现大面积化，且不受形状的限制 制备工艺简单，造价低廉 具有优异的光学和电学性能，尤其是光吸收系数大
分类
硅系化合物（C、Si、Ge及其合金） • 硫系化合物（S、Se、Te及其合金） 研究最多、应用最为广泛的还是氢化非晶硅薄膜（ɑ-Si:H）、 及硅基合金薄膜（ɑ-SiC:H、ɑ-SiN:H、ɑ-SiGe:H）
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
Mott-CFO模型
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由N.F.Mott以及M.H.Cohen、H.Fritzsehe和S.R.Ovshinsky等人提出
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短程有序----基本能带 长程无序----定域态带尾
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悬挂键-------带隙中间形成隙态
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
Mott-CFO模型
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近邻以及次紧邻原子的位置变化，对电子态密度产生微扰，造成 能带出现带尾结构；同时，非晶硅中缺陷浓度很高，造成定域态 带尾一直延伸到能隙深处，甚至相互交叠。
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由于带尾结构是能带边缘区域的能态受到无序势场干扰后延伸出
来的，对于价带带尾，当它被电子占据时是呈现电中性，未被电 子占据时呈现正电性而成为施主中心作用，对于导带带尾，当它 未被电子占据时呈现电中性，占据一个电子时呈现负电性起受主 中心作用。
生长机理
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生成物种类繁多：Si、SiH、H、H2、离化SiiHj+、SiH2、SiH3 H一方面是形成ɑ-Si:H的重要反应物，另一方面，其在薄膜的生成 过程中还要对表面进行刻蚀，通过刻蚀消除薄膜表面较弱的Si-Si
键而促成稳定的Si-Si键。
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的能带模型
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的制备方法
基于此的制备方法主要有辉光放电分解法（GD-CVD）、 溅射法（SP-CVD）、光-CVD等。 • 为提高沉积速率还有甚高频/超高频CVD、等离子体增强 PE-CVD、微波MW-CVD、微波电子回旋共振MW-ECRCVD等 • 制备多晶硅（poly-Si:H）及微晶硅（μc-Si:H）而采用的 热丝HF-CVD • 控制参数：
该模型中，非晶态半导体的带尾被认为很窄，并没有延伸到能隙 的内部，即带尾没有形成交叠。 由于非晶态半导体中存在大量的晶格缺陷，所以在能隙中会引入
一个缺陷定域带。
该模型中，定域带中载流子的跃迁主要依靠热激发，费米能级的 位置及其附近的缺陷态密度分布N（Ef）能够对非晶态半导体的性 能产生影响；
•
如果缺陷态密度N（Ef）较高，则少量的掺杂或者温度的变化对费 米能级的位置没有影响，说明费米能级几乎被钉扎；如果缺陷密 度N（Ef）较低，则少量的掺杂或者温度的变化对费米能级的位置 有明显的作用。
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反应气体流量、反应室气体总量、反应室的背景真空度、衬 底温度、反应电极加载的功率、生长速度、反应时间等
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的制备方法
等离子体环境下硅烷（SiH4）的分解
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SiH4和稀释SiH4用的H2分解，生成激活型的原子或分子团 这些原子或分子团向衬底或反应室器壁表面扩散 在衬底表面发生吸附原子或分子团的反应，同时伴随其他气相分
（Stäble-Wronski）
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的电学特性
硅直流电导率（直流颠倒通常由以下四部分构成）
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费米能级附近的空域态跳跃传导 带尾定域态中的跳跃传导 扩展态中的传导
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总直流电导率表示式
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在不同温度范围内起主要作用的导电机制不同，途中画出了非 晶态半导体导电过程中可能的logσ与1/基非晶态半导体薄膜
非晶态材料结构特性
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1 硅基非晶态半导体薄膜
非晶态半导体薄膜材料的制备方法
根据非晶态半导体材料的形成理论:不同材料有不同的形 成能力，在制备时需要不同的冷却速度。
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对于某些形成能力大的材料可采用熔体快速冷却法制备， 例如硫系非晶材料（ɑ-As2S3、ɑ-As2Se3、ɑ-As2Te3等）其 冷却速率控制在103~104℃/s 而对于硅系半导体材料（ɑ-Si、ɑ-Ge、ɑ-C等），非晶形成 能力较差，需要更高的冷却速率（不小于105℃/s），在这 种情况下，只能依赖于真空蒸法、溅射法、辉光放电等手 段形成非晶薄膜。