氢化非晶硅薄膜结构及其物理效应

发布时间：2017-04-24 20:02

  本文关键词：氢化非晶硅薄膜结构及其物理效应，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜是一种重要的半导体材料,由于其具有优越的光电特性而被广泛地用于各类光电子器件。然而,a-Si:H薄膜具有值得研究的结构特点,不仅体现在非晶网络中原子的随机排列以及氢原子成键的多样性和多变性,而且也体现在薄膜结构对工艺条件的敏感性,以及在不同条件下产生的各种微结构。a-Si:H薄膜结构复杂和多变的特点使得对其结构的理解、特性的预测以及工艺条件的稳定性等问题的解决出现诸多难点。本文研究工作紧密围绕a-Si:H薄膜结构及其物理效应而展开,采用理论与实验相结合的研究思路,利用多种薄膜制备技术和性能表征手段,深入研究了a-Si:H薄膜的结构特点及其演变机制,以及相关光电特性的变化及其结构起源。具体内容可以概括为以下几个方面:(1)利用多种材料结构和特性表征手段,深入研究了a-Si:H薄膜结构(包括非晶网络有序度、Si-H键组态以及Si-Si弱键等)的原位演变机制。基于a-Si:H薄膜的电子结构特点,建立了适当的电子能态密度模型,并结合a-Si:H薄膜本身的材料结构特点,对带边态密度的分布特点及结构起源进行了详细分析。结果表明,提高薄膜沉积时的基片温度,不仅可以改善非晶网络结构的有序度和Si-Si弱键的分布,而且可以在很大程度上改变薄膜中的H含量和Si-H组态;光学吸收特性的变化表明,在对带边分布具有竞争作用机制的两种(H原子的氢化效应和网络结构的有序度)结构变化中,氢化效应占据主导地位。(2)对薄膜制备工艺条件中的非传统调控技术(气体预热和微波退火)进行了深入研究。同时从辉光放电等离子体特性和微波非热效应的角度出发,对调控技术的作用机制进行了深入的探讨。实验发现,在其它工艺参数(如基片温度、气体压强和射频功率等)达到最佳值时,可以适当提高辉光放电前的气体预热温度,进一步优化薄膜的结构和光电性能,其作用机制很可能是通过改变气体分子的振动能态,影响了等离子体中的反应过程以及各种离/粒子的热泳特性;在无其它辅助材料参与的条件下,尽管微波场不能使a-Si:H薄膜晶化,但仍能在较大程度上对其结构(非晶网络结构和Si-H键)进行调控,其调控机制来自于薄膜中H原子的低能输运方式,据此,本文提出了相应的非晶网络局部结构演变模型,用于描述a-Si:H薄膜在与微波场的交互作用过程中的结构变化。(3)对a-Si:H薄膜的光谱椭偏表征技术进行了深入研究,包括色散模型的比较和修正,以及电子态密度的提取。对Forouhi-Bloomer(FB)模型和Tauc-Lorentz(TL)模型而言,由其分别得到的薄膜厚度和光学常数出现了一定偏差,其原因源自于二者对相关物理过程的不同假设和数学计算的不同处理;针对FB模型的物理不完备特点,本文结合相关的实验报道和a-Si:H薄膜本身的结构特点,对其进行了适当的修正和验证,结果表明修正后的模型具有更好的拟合能力。利用a-Si:H薄膜电子态密度经验模型和适当的优化算法,通过对介电函数的参数化,直接从椭偏谱中提取了薄膜的电子结构信息,并对其产生的电子态密度响应进行了综合研究。结果表明,由于电子特性的差异,薄膜结构的变化对价带边的影响更大,薄膜光学吸收能力在长波和短波范围内呈现出相反趋势;同时,椭偏仪得到的粗糙度与原子力显微镜得到的值相差较大,其原因可能在于对表面粗糙层的不同界定。(4)围绕a-Si:H薄膜的元素掺杂及合金化,揭示了磷(P)在薄膜中掺杂效率的演变规律,以及钌(Ru)对薄膜结构和特性的影响。利用不同的现代材料表征手段,发现基片温度的升高抑制了P原子四配位结构的产生,从而降低其掺杂效率。通过磁控共溅射技术首次将Ru引入到a-Si:H薄膜中,测试结果表明,Ru的进入使非晶网络结构更加紊乱、缺陷进一步增多,但导电性急剧提高,同时产生了g=2.02的新顺磁中心;薄膜电阻温度系数TCR的变化表明,Ru掺a-Si:H薄膜具有良好的红外敏感特性;基于对实验结果和相关理论的分析,提出了Ru的掺杂模型用以阐述薄膜宏观特性的微观结构起源,认为Ru原子很可能以sd3杂化的方式嵌入到非晶网络中,在价带顶附近形成类受主能态,从而改变了薄膜的导电特性和悬键的荷电状态。
【关键词】：氢化非晶硅薄膜 非传统调控 掺杂及合金化 光谱椭偏 结构演变 物理效应
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-35
• 1.1 非晶半导体概述14-16
• 1.2 氢化非晶硅薄膜结构特点16-25
• 1.2.1 硅原子网络结构16-20
• 1.2.2 氢原子成键模式20-22
• 1.2.3 微结构22-25
• 1.3 氢化非晶硅薄膜光电特性25-29
• 1.3.1 光学性质25-26
• 1.3.2 电子性质26-29
• 1.4 氢化非晶硅薄膜的器件应用29-32
• 1.4.1 非制冷红外探测器29-30
• 1.4.2 太阳能电池30-31
• 1.4.3 薄膜晶体管31-32
• 1.5 本文主要工作32-35
• 1.5.1 选题意义32
• 1.5.2 主要研究内容32-33
• 1.5.3 本文结构安排33-35
• 第二章 薄膜制备及表征35-47
• 2.1 引言35-37
• 2.2 氢化非晶硅薄膜PECVD生长机理37-39
• 2.3 样品制备39-40
• 2.3.1 PECVD制备a-Si:H薄膜39
• 2.3.2 MSPVD制备a-Si:H和a-Si薄膜39-40
• 2.3.3 电极蒸镀40
• 2.4 薄膜特性表征技术及其测试原理40-47
• 2.4.1 Fourier变换红外光谱40
• 2.4.2 Raman散射光谱40-41
• 2.4.3 原子力显微镜（AFM）41-42
• 2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）42-43
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）43-45
• 2.4.6 电子自旋共振（ESR）45
• 2.4.7 椭圆偏振光谱（Ellipsometry）45-47
• 第三章 带边分布及其结构影响机制47-69
• 3.1 研究背景47-48
• 3.2 实验过程48-49
• 3.3 结构性质49-57
• 3.3.1 非晶网络结构49-51
• 3.3.2 Si-H键振动特性51-54
• 3.3.3 Si-H键组态原位演变54-57
• 3.4 电子性质57-68
• 3.4.1 基于介电函数的电子能态密度分析57-64
• 3.4.2 光学吸收特性64-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第四章 薄膜结构和性质的非传统调控技术69-94
• 4.1 引言69
• 4.2 气体温度调控69-85
• 4.2.1 研究背景69-70
• 4.2.2 实验过程70-71
• 4.2.3 结构分析71-78
• 4.2.3.1 表面形貌71-73
• 4.2.3.2 缺陷分析73-75
• 4.2.3.3 非晶网络结构75-76
• 4.2.3.4 Si-H组态演变76-78
• 4.2.4 光学特性和电子输运78-84
• 4.2.4.1 光学特性78-81
• 4.2.4.2 电子输运81-84
• 4.2.5 气体预热作用机制84-85
• 4.3 a-Si:H薄膜与微波交互作用85-93
• 4.3.1 研究背景85-86
• 4.3.2 微波加热原理86-87
• 4.3.3 实验过程87-88
• 4.3.4 结构分析88-91
• 4.3.4.1 非晶网络结构88-89
• 4.3.4.2 缺陷演变89-90
• 4.3.4.3 Si-H键组态演变90-91
• 4.3.5 微波作用机制分析91-93
• 4.4 本章小结93-94
• 第五章 光谱椭偏研究94-132
• 5.1 引言94
• 5.2 基本原理94-99
• 5.2.1 Snell定律94-95
• 5.2.2 Fresnel定律95-97
• 5.2.3 薄膜光学相干效应97-98
• 5.2.4 椭偏测量原理98-99
• 5.3 光学色散模型研究99-113
• 5.3.1 研究背景99-100
• 5.2.2 FB色散模型和TL色散模型100-102
• 5.3.3 实验过程102-103
• 5.3.4 Raman散射分析103-104
• 5.3.5 模型对比研究104-111
• 5.3.6 模型修正111-113
• 5.4 基于光谱椭偏的薄膜特性和电子能态密度分析113-130
• 5.4.1 研究背景113-115
• 5.4.2 实验过程115
• 5.4.3 理论模型115-118
• 5.4.4 结构分析118-122
• 5.4.4.1 表面形貌118-119
• 5.4.4.2 网络结构和Si-H组态119-122
• 5.4.5 椭偏分析和电子能态密度122-124
• 5.4.6 薄膜结构和电子特性讨论124-130
• 5.4.6.1 结构分析124-126
• 5.4.6.2 光学特性、电子特性及其结构起源126-130
• 5.5 本章小结130-132
• 第六章 元素掺杂与合金化132-151
• 6.1 引言132
• 6.2 N型a-Si:H薄膜结构原位演变132-140
• 6.2.1 研究背景132-133
• 6.2.2 实验过程133
• 6.2.3 薄膜结构和光学特性133-139
• 6.2.3.1 顺磁中心133-136
• 6.2.3.2 非晶网络结构演变136-137
• 6.2.3.3 Si-H组态137-139
• 6.2.4 光学特性139-140
• 6.3 a-Si:H薄膜的金属掺杂与合金化140-149
• 6.3.1 研究背景140-141
• 6.3.2 实验过程141-142
• 6.3.3 结构分析142-145
• 6.3.3.1 非晶网络演变142-143
• 6.3.3.2 顺磁中心143-145
• 6.3.4 电子输运145-147
• 6.3.5 相关物理效应的结构起源147-149
• 6.4 本章小结149-151
• 第七章 结论与展望151-154
• 7.1 全文工作总结151-152
• 7.2 创新点152-153
• 7.3 展望153-154
• 致谢154-155
• 参考文献155-171
• 攻读博士学位期间取得的成果171-174

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周立伟;夜视技术的进展与展望[J];激光与光电子学进展;1995年04期

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本文编号：324843