第六节 新型半导体薄膜材料.pdf

第六章 新型半导体薄膜材料 本章主要介绍硅基非晶半导体薄膜材料的结 构特点、制备方法、光学和电学特性以及这 些材料的研究现状。同时还将介绍微晶Si薄 膜和多晶Si薄膜的结构特点、制备方法及其 应用。在应用方面，将重点介绍高效率、长 寿命、低价格、大面积非晶硅（a-Si:H ）太 阳能电池的工作原理及发展现状。 概 述 新型半导体薄膜材料的研究与发展，主要 是以研究和发展非晶态半导体薄膜材料制 备与器件应用最为活跃，已成为材料学科 的一个重要组成部分 随着非晶态半导体在科学和技术上的飞速 发展，它已在高新技术领域中得到广泛应 用，并正在形成一类新兴产业。 例如，用高效、大面积非晶硅（a-Si:H ）薄 膜太阳电池制作的发电站已并网发电（它是 无任何污染的绿色电源）；用a-Si薄膜晶体 管制成的大屏幕液晶显示器和平面显像电视 机已作为商品出售；非晶硅电致发光器件和 高记录速度大容量光盘等。也正在向实际应 用和商业化方向发展。 大量事实说明，研究非晶态半导体薄膜材料 的意义不仅在于技术上能够产生新材料、新 器件和新工艺，而且对于认识固体理论中的 许多基本问题也会产生深远的影响。 硅基非晶态半导体薄膜 “非晶”固体或“无定形” （Amorphous ）固 体是一种不具有晶体结构的固体。通常“非晶” 或“无定形”是同义词。但是，严格说来，所 谓“非晶”就是指那些不结晶的物质。液体等 也包括在内。所谓“无定形”是指“玻璃态”的 物质。“玻璃”这一术语多半是指将熔化状态 的物质通过冷急法冻结成的固体。 非晶硅材料的一般特性 非晶硅（Amorphous Silicon或Non-crystalline silicon，简称a-Si ）是近代发展起来的一种新型非 晶态半导体材料，非晶硅是当前非晶半导体材料和 器件的研究重点和核心。 同晶体硅相比，它的最基本特征是组成原子没有长 程有序性，只是在几个晶格常数范围内具有短程有 序。原子之间的键合十分类似晶体硅，形成一种共 价无规网络结构。 非晶硅材料的一般特性 另一特点是：在非晶硅半导体中可以实现连续的 物性控制。 当连续改变非晶硅中掺杂元素和掺杂量时，可 连续改变电导率、禁带宽度等，如用于太阳电池的掺 硼（B）的p型a-Si材料和掺磷的n型a-Si材料，它们 的电导率可由本征a-Si的约10-9 s/m提高到10-2～1 s/m 。本征a-Si材料的带隙约1.7eV，通过掺碳可获 得E 2.0eV的宽带隙a-SiC材料，通过掺入不同量的 g Ge可获得1.7～1.4eV的窄带隙a-SiGe材料。通常把 这些不同带隙的掺杂非晶硅材料称为非晶硅基合金。 非晶态半导体薄膜的分类 非晶半导体按其特性可分为两大类： 硅系化合物（C、Si、Ge及其合金） 硫系化合物（S、Se、Te及其合金）。 目前研究得最多、应用最为广泛的是氢化 非晶硅膜（a-Si:H ）及硅基合金膜（如a- SiC:H、a-SiN:H、a-SiGe:H等）。 非晶态半导体薄膜结构特点 ①在结构上，非晶半导体组成原子没有长程有序性 ②对于大多数非晶半导体，其组成原子都是由共价 键结合在一起的，形成一种连续共价键无规网络 ③非晶半导体可以部分实现连续的物性控制。 ④非晶半导体在热力学上处于亚稳状态，在一定条 件下可以转变为晶态。 ⑤非晶硅及其合金膜的结构、电学和光学性质，依 赖于它们的制备条件和制备方法。 ⑥非晶半导体的物理性能是各向同性。 非晶硅薄膜的制备 非晶硅薄膜制备的常用方法：辉光放电法（glow discharge method）、射频溅射法（rf- sputtering ）、化学气相沉积法（CVD）、电子束 蒸发法（EBE）、电解沉积法、激光沉积法、等离 子体化学传输沉积法（PCTD）和超急冷法等。目 前广泛采用的是辉光放电法。 辉光放电法制备非晶硅基薄膜的装置如图所示。根 据辉光放电功率源频率的不同，辉光放电分为射频 （rf-13.56MHz）辉光放电、直流辉光放电、超高 频（VHF-70～150MHz）辉光放电等。 制备a-Si:H薄膜的辉光放电装置示意图