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（非晶硅的能帶與單晶硅有何本質(zhì)上的不同？氫原子在非晶硅中的作用怎樣？什么是a-Si：H的亞穩(wěn)特性？）非晶硅（a-Si）是常用來制作薄膜晶體管（TFT）的一種非晶半導(dǎo)體材料。非晶硅薄膜通常是采用氣相淀積的方法來制備，包括真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電和化學(xué)氣相淀積（CVD）等。①非晶硅的結(jié)構(gòu)和能帶:晶體硅中原子的排列都遵從正四面體的分布規(guī)律（共價鍵的長度為0.35nm，鍵角為109o），具有長程有序性，電子狀態(tài)及其運動可用Bloch波和波矢來描述。而非晶硅中原子的分布不完全是遵從著正四面體的規(guī)律（共價鍵長度變化約2%,鍵角變化約10%），是所謂短程有序的；即非晶硅中原子的分布基本上是正四面體的形式，但是卻發(fā)生了變形，即產(chǎn)生出了許多缺陷一一出現(xiàn)大量的懸掛鍵和空洞等，如圖1（a）所示。非晶硅的密度約低于單晶硅（2.33g/cm-3）的3%?10%。SiS1SiSi懸掛鍵s]S1SI:sl懸掛鍵s]S1SI:sl正因為非晶硅的結(jié)構(gòu)不具有長程有序性，因此，非晶硅中的電子狀態(tài)就不能用Bloch波來描述，也因而不能采用波矢（k）或者動量（？k）來描述電子的運動。圖2非晶半導(dǎo)體的能隙由于非晶硅的結(jié)構(gòu)具有短程有序性，所以其中電子的能量狀態(tài)仍然具有類似于晶體的能帶形式，但是有很大的不同。圖2示意地給出了一種非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子能量E與狀態(tài)密度g（E）的函數(shù)關(guān)系?？梢姡蔷B(tài)半導(dǎo)體具有導(dǎo)帶、價帶和其間的能隙；在導(dǎo)帶和價帶中的擴展態(tài)與晶體的Bloch態(tài)相同；并且在能隙中存在許多局域態(tài)。在靠近能隙的上、下兩邊處的局域態(tài)特稱為帶尾狀態(tài)，意即擴展態(tài)的能帶尾巴（但不是擴展態(tài)），來自于結(jié)構(gòu)的無序化?？梢?，帶尾狀態(tài)與弱Si-Si鍵有關(guān)，也因此帶尾的寬度可看成是非晶硅薄膜無限度的一種量度。一般，價帶的帶尾要比導(dǎo)帶的帶尾寬。該帶尾的寬度又稱為Urbach能（或Urbach斜率）；可以通過光吸收系數(shù)法、恒定光電流法（CPM）或光熱偏轉(zhuǎn)法（PDS）等的測量來確定。局域態(tài)在正常狀態(tài)下是電中性的，對于價帶尾的態(tài)，當它失去電子時即帶正電，故呈現(xiàn)為施主性質(zhì)；而對于導(dǎo)帶尾的態(tài)，當它獲得電子時即帶負電，故呈現(xiàn)為受主性質(zhì)。因此，價帶尾和導(dǎo)帶尾的局域態(tài)分別是類施主能級和類受主能級。非晶硅的懸掛鍵態(tài)一一缺陷態(tài)（一種局域態(tài)）分布在能隙之中，懸掛鍵密度的峰值位置對應(yīng)著Fermi能級的位置。因為Si的懸掛鍵只有一個電子，呈現(xiàn)為電中性，所以懸掛鍵相當于起著施主作用，它的分布常常使得Fermi能級偏向與靠近導(dǎo)帶，從而導(dǎo)致一般的非晶硅總是呈現(xiàn)為n型導(dǎo)電性。非晶態(tài)半導(dǎo)體的能隙往往稱為遷移率隙（EC-EV）。因為能量EC和EV是把擴展態(tài)與局域態(tài)分隔開的能量，而擴展態(tài)和局域態(tài)的導(dǎo)電機理不同，其遷移率也相應(yīng)地大不相同。處在高于EC的狀態(tài)——擴展態(tài)的電子的輸運，

因為受到缺陷的嚴重散射，則遷移率遠低于晶體電子的遷移率；但低于EC的狀態(tài)一一局域態(tài)（常稱為陷阱）電子的輸運，則需要利用原子熱振動的熱能、通過跳躍來進行，因此遷移率很小。EC就是這兩種狀態(tài)、兩種遷移率的能量分界線，故稱為電子的遷移率邊（mobilityedge）。同樣，EV稱為空穴的遷移率邊。遷移率隙中的局域態(tài)是嚴重影響電子遷移率的重要因素。因此，為了提高非晶硅的載流子遷移率，就應(yīng)該設(shè)法降低局域態(tài)密度。擴展態(tài)EgEv抉咯態(tài) 遷瑪率隙擴展態(tài)擴展態(tài)EgEv抉咯態(tài) 遷瑪率隙擴展態(tài)帶尾狀態(tài)上?g(E、②氫化非晶硅（a-Si：H）：采用等離子體增強CVD方法、分解硅烷（SiH4）而得到非晶硅時，實際上在所得到的非晶硅中含有相當數(shù)量的氫原子，這種材料就是非晶硅-氫合金（a-Si：H），常稱為氫化非晶硅。a-Si：H的密度約低于單晶硅的1%?3%。氫原子在a-Si:H中對于改善其性質(zhì)起著很大的作用，根源在于氫原子可以使懸掛鍵飽和，如圖1（b）所示。這就是說，氫原子的摻入可以降低非晶硅中的局域態(tài)密度（可降低4個數(shù)量級，達到1022/m3）。從而，a-Si：H中的載流子遷移率有所提高。在氫含量約為10%的優(yōu)質(zhì)a-Si：H中，主要由懸掛鍵引起的局域態(tài)密度很低（小于1016cm-3/eV）。a-Si：H中電子遷移率的典型值達到了5?10cm2/（V-s）。雖然摻氫非晶硅（a-Si：H）中的載流子遷移率較高于未摻氫的非晶硅，但是總的說來，終究因為a-Si：H不是晶體，其中存在大量的缺陷，它的載流子遷移率還是很低的，特別是與單晶硅比較起來更是如此（單晶硅的電子遷移率約為1400cm2/（V-s））。由于非晶硅的低遷移率，所以非晶硅在高速或高增益器件方面的應(yīng)用受到一定的限制；但是，它因為便于淀積在各種大面積襯底上和制作成本低廉，故在低速電子器件、平面顯示器、太陽電池、圖像傳感器等方面大有作為。a-Si：H的一個重大缺點就是其性能不穩(wěn)定，即具有一種所謂亞穩(wěn)特性。導(dǎo)致a-Si：H出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的原因是其結(jié)構(gòu)缺陷的問題。因為在a-Si：H結(jié)構(gòu)中存在著較弱的Si-Si鍵（鍵能約為leV）、以及懸掛鍵和氫鍵，它們之間將達到亞穩(wěn)平衡；因此，就很容易通過外加能量使a-Si：H結(jié)構(gòu)偏離其原始平衡狀態(tài)而產(chǎn)生衰退，同時也可以通過加熱使它又從衰退狀態(tài)回到原始狀態(tài)，這種狀態(tài)之間的變化稱為亞穩(wěn)“亞穩(wěn)效應(yīng)"（metastabilityeffect）。a-Si：H的亞穩(wěn)特性也就是造成它的器件性能不穩(wěn)定的重要原因。例如，對于a-Si：HTFT，在較長時間施加?xùn)牌珘阂院?，閾值電壓以及亞閾斜率將發(fā)生漂移，就是這種亞穩(wěn)特性的表現(xiàn)。又如，a-Si：H太陽電池，在受到太陽光照射之后，其暗電導(dǎo)和光電導(dǎo)會隨著光照時間的延長而不斷下降，但若在200oC下退火幾小時之后，又會恢復(fù)到原來的數(shù)值，這種現(xiàn)象往往稱為SW效應(yīng)（stabler-wronskieffect）。也正是由于這個原因，采用a-Si：H制作的有源選址液晶顯示器（AMLCD），不能在太陽光照射下長時間地工作。研究表明，a-Si：H出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的重要過程就是外界作用使得a-Si：H中產(chǎn)生出新的懸掛鍵。因此，引起a-Si：H性能不穩(wěn)定的根本原因就在于較弱的Si-Si鍵的存在以及氫鍵的參與?？梢?，a-Si：H中10%左右的氫，可以起到使懸掛鍵飽和的良好作用，但與此同時氫又將引起不良的亞穩(wěn)衰退效應(yīng)?？傊?，a-Si：H的穩(wěn)定性仍然是一個有待解決的重要問題。（2）多晶硅：多晶體是包含有晶粒（單晶體）和晶粒間界（缺陷）的晶體。在MOS器件及其集成電路中，現(xiàn)在多采用摻雜多晶硅做柵極金屬材料，以來代替Al。在此，它所表現(xiàn)出的優(yōu)點是：①與Si工藝兼容，并且能耐較高溫度的退火處理（在自對準源/漏注入之后，高溫退火是必須的）；②多晶硅能夠通過摻雜而獲得n型或p型，同時利用摻雜可以改變其功函數(shù)（這對于對稱CMOS技術(shù)至關(guān)重要）。但是，多晶硅在微電子應(yīng)用中也存在著若干缺點：①多晶硅具有較高的電阻率（較高的電阻對于器件的直流特性雖無大的妨礙，但是作為輸入端的柵極而言，將要嚴重影地響到器件的高頻性能，如噪聲和最高振蕩頻率）；②多晶硅柵薄