氢含量对非晶硅薄膜热光效应影响的研究

发布时间：2017-08-15 14:22

  本文关键词：氢含量对非晶硅薄膜热光效应影响的研究

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【摘要】：非晶硅薄膜在近红外波段具有低吸收率、高热光系数、制作成本低且易于集成等优点,使其能够在半导体领域的光电器件中广泛应用。在基于非晶硅热光效应设计的器件中,材料的热光系数是影响其光学性能的关键因素。表征热光系数的禁带宽度、极化率等参数会因为材料微结构的变化而发生改变。而薄膜中氢含量及氢的键合方式是影响薄膜的微结构的主要因素。因此本文从仿真和工艺两方面研究了薄膜中氢含量的变化对热光效应的影响。首先,通过对非晶硅结构和热光效应基本物理原理的理论分析,总结出非晶硅薄膜中氢含量的变化会影响其热光效应。基于非晶硅热光系数的单振荡器模型,推导出氢含量与非晶硅热光系数的关系,并在此基础上仿真分析了氢含量对薄膜热光系数的影响,为之后的实验设计提供了理论依据。其次,为了测试非晶硅薄膜的热光系数,设计搭建了基于FILMeasure-20的测量平台,并使用搭建的平台研究分析了热处理非晶硅薄膜和N掺杂非晶硅薄膜在1550nm波段薄膜的氢含量对热光效应的影响。通过对PECVD沉积的非晶硅薄膜样品进行不同温度的短时间退火热处理,研究了氢含量及其键合方式的改变对热光效应的影响。实验结果表明,与未经过退火处理的薄膜样品相比,由FTIR吸收峰强度表征的氢含量在退火温度为100℃到300℃时逐渐上升;当退火温度到500℃之后吸收峰强度减弱,氢含量下降,薄膜的热光系数也是呈先增长再下降的趋势。将SiH_4和NH_3的混合气体通入PECVD制备了N掺杂非晶硅薄膜,研究不同掺杂比下薄膜中氢含量和Si-H的键合方式的变化对热光效应的影响。分析发现,当氮含量较低时,薄膜的FTIR吸收峰强度较大,膜中氢含量较高,N掺杂非晶硅薄膜的折射率和热光效应的表征更接近非晶硅;薄膜中掺氮含量较高时,Si-N键的吸收峰会增强,影响Si-H键的键合方式,N掺杂非晶硅薄膜的折射率及其热光系数都呈下降的趋势,更接近氮化硅。通过仿真分析和实验验证可知,工艺参数的改变能有效地改变薄膜中氢的键合方式及氢含量,进而改变其热光系数,这对于光电器件的实际生产实践具有重要的参考意义。
【关键词】：非晶硅薄膜 氢含量 热光系数 PECVD 薄膜性能
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 基于热光特性的光电子器件概述10-13
• 1.2 研究意义13-15
• 1.3 本文的研究思路及内容安排15-16
• 第二章 非晶硅薄膜氢含量与热光效应关系的理论研究16-29
• 2.1 非晶硅薄膜的结构及H含量的基础理论16-19
• 2.1.1 非晶硅薄膜结构的基本特点16-17
• 2.1.2 非晶硅薄膜的Si-H组态及H含量17-19
• 2.2 热光效应的物理原理19-21
• 2.3 非晶硅薄膜氢含量与热光系数的建模仿真21-28
• 2.3.1 非晶硅薄膜热光系数的单振荡器模型22-24
• 2.3.2 氢含量与热光系数关系的建立24-26
• 2.3.3 氢含量对热光系数影响的仿真分析26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 非晶硅热光效应研究的相关测试技术29-36
• 3.1 国内外测试方法的发展现状29-30
• 3.2 测试平台的搭建30-32
• 3.3 非晶硅薄膜其他性能表征方法32-35
• 3.3.1 傅里叶红外光谱法32-34
• 3.3.2 FILMeasure-20光谱分析法34
• 3.3.3 扫描电子显微镜法34-35
• 3.3.4 X射线衍射法35
• 3.4 本章小结35-36
• 第四章 氢含量对热处理非晶硅薄膜热光效应的影响36-53
• 4.1 引言36
• 4.2 薄膜的制备及实验参数设计36-41
• 4.2.1 PECVD制备非晶硅薄膜36-40
• 4.2.2 实验参数的设计40-41
• 4.3 不同退火温度对薄膜氢含量的影响41-47
• 4.4 热处理对非晶硅薄膜热光系数的影响47-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第五章 氢含量对N掺杂非晶硅薄膜热光效应的影响53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 实验参数的设计53
• 5.3 不同掺杂比下薄膜的H含量及性能的表征53-59
• 5.4 N掺杂对非晶硅薄膜热光系数的影响59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 第六章 总结63-65
• 6.1 工作总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士期间的研究成果70-71

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