非晶硅薄膜的性能與應(yīng)用

非晶硅薄膜的性能與應(yīng)用摘要：非晶硅薄膜是一種常用的紅外波段光學(xué)薄膜材料，具有紅外吸收系數(shù)小，折射率高（3.0～4.0）、熱特性好等優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了非晶硅的結(jié)構(gòu)，性能以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：非晶硅，薄膜，電性能，光電性能1前言非晶硅薄膜是一種常用的紅外波段光學(xué)薄膜材料，具有紅外吸收系數(shù)小，折射率高（3.0～4.0）、熱特性好等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。作為太陽(yáng)能電池的無(wú)定形（a-Si）薄膜日益受到關(guān)注，同時(shí)它們?cè)陲@示器、傳感器方面，也有很大的應(yīng)用前景。1.1非晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)非晶硅中原子的排列可以看作構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的無(wú)規(guī)網(wǎng)格，長(zhǎng)程無(wú)序。因此有時(shí)也把非晶半導(dǎo)體稱為無(wú)序半導(dǎo)體。但就一個(gè)硅原子講，它與最鄰近或次臨近原子的情況基本相同。因此原子化學(xué)性質(zhì)所決定，所以鍵長(zhǎng)基本一致，鍵角偏差也不大。因此非晶硅保持著短程有序。長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于非晶半導(dǎo)體的能態(tài)、能帶及性能都有決定性的影響。例如，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底各有一個(gè)局域態(tài)組成的能帶尾，禁帶中也存在局域化的缺陷帶。薄膜是非晶半導(dǎo)體的主要應(yīng)用形式，非晶硅薄膜中得到研究和應(yīng)用的主要是氫化非晶硅（a-Si：H）薄膜，氫化非晶硅比未氫化非晶硅具有好得多的性能非晶半導(dǎo)體的摻雜和p-n結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造也是首先在氫化非晶硅中實(shí)現(xiàn)的。這對(duì)非晶硅薄膜的應(yīng)用具有非常重要的意義。2非晶硅薄膜的性能2.1電學(xué)性能根據(jù)非晶半導(dǎo)體理論，同時(shí)考慮導(dǎo)帶和價(jià)帶的擴(kuò)展態(tài)、導(dǎo)帶和價(jià)帶尾部的局域態(tài)、禁帶中費(fèi)密能級(jí)附近的缺陷局域態(tài)中電子的貢獻(xiàn)，總電導(dǎo)由擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)、帶尾局域態(tài)電導(dǎo)、費(fèi)密能級(jí)附近的局域態(tài)電導(dǎo)，以及低溫下的變程跳躍電導(dǎo)組成。在溫度較高時(shí)非晶半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理主要由擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)決定。對(duì)于用輝光放電法沉積的a-Si：H薄膜，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，在溫度T≈240K時(shí)電導(dǎo)率溫度關(guān)系的斜率發(fā)生變化。斜率即熱激活能的變化是由于導(dǎo)電機(jī)理的變化。溫度高于240K時(shí)非晶硅薄膜的電導(dǎo)主要是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)。擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的電導(dǎo)率可用下式表示式中，σmin是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)率的最低值，稱為最小金屬化電導(dǎo)率；EC是把導(dǎo)帶擴(kuò)展態(tài)和帶尾局域態(tài)分開的能量；EF是費(fèi)密能級(jí)。上式說(shuō)明了非晶硅的擴(kuò)展態(tài)導(dǎo)電機(jī)理與單晶硅的相類似。但由于非晶硅的結(jié)構(gòu)無(wú)序性以及缺陷較多，因此其擴(kuò)展態(tài)的遷移率比單晶硅要低得多，僅為1～10㎝2/（V·S）。2.1.1非晶硅薄膜的電學(xué)性質(zhì)分析測(cè)試a-Si：H薄膜的電阻率、方阻、TCR電學(xué)性能參數(shù)是非晶硅薄膜的一個(gè)重要性質(zhì)參數(shù)。TCR是表示溫度每改變1℃時(shí)電阻值的相對(duì)變化量，四探針是分析a-Si：H薄膜電學(xué)性質(zhì)的一種有效途徑。常規(guī)直線四探針測(cè)試法的示意圖如圖1所示,將位于同一直線上的四個(gè)探針置于一平坦的樣品（其尺寸相對(duì)于四探針,可視為無(wú)窮大）上,并施加直流電流于外側(cè)的兩個(gè)探針上,然后在中間兩個(gè)探針上用高精度數(shù)字電壓表測(cè)量電壓（V23）,檢測(cè)位置的電阻率ρ（Ω·cm）為式中為四探針的探針系數(shù)（cm），S1、S2、S3分別為1、2、，2、3和3、4探針之間的距離。用PECVD沉積的非晶硅的應(yīng)力較小,而且是張應(yīng)力,這有利于探測(cè)器的后期設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)定非晶硅的光學(xué)性能[1],發(fā)現(xiàn)非晶硅具有高電阻率、高TCR的特點(diǎn)。非晶硅的高電阻率在使用直流偏置的條件下不會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱,從而可簡(jiǎn)化偏置電路；高TCR則代表著電阻對(duì)溫度變化敏感,這對(duì)于制造紅外熱成像器件是非常重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)電阻率在一定的范圍內(nèi)時(shí),TCR與電阻率幾乎成線性關(guān)系。圖1四探針測(cè)試示意圖2.2光學(xué)與光電性能a-Si-H的吸收吸收光譜曲線符合非晶半導(dǎo)體吸收系數(shù)變化的一般規(guī)律，其吸收系數(shù)曲線也包括三個(gè)吸收區(qū)，即由電子從價(jià)帶擴(kuò)展態(tài)到導(dǎo)帶擴(kuò)展態(tài)的帶間躍遷所決定的高吸收區(qū)，主要由電子從價(jià)帶擴(kuò)展態(tài)到導(dǎo)帶尾部局域態(tài)或從價(jià)帶尾部局域態(tài)至導(dǎo)帶擴(kuò)展態(tài)的躍遷所決定的指數(shù)吸收區(qū)，以及由帶內(nèi)躍遷（自由載流子吸收）和帶尾之間的躍遷所決定的弱吸收區(qū)。我們知道，單晶硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)較小。吸收限約在1.1eV即1.1μm處。而對(duì)于非晶硅，由于缺乏長(zhǎng)程序，電子態(tài)的波矢測(cè)不準(zhǔn)性達(dá)波矢本身的數(shù)量級(jí)，電子躍遷中不再受準(zhǔn)動(dòng)量守恒的限制。因此非晶硅中電子帶間躍遷的概率就具有與直接帶隙半導(dǎo)體相似的特點(diǎn)。a-Si-H薄膜的折光率與結(jié)晶硅的相近。在膜的氫含量從10%增加至50%時(shí)，折射率下降約5%。這是與氫含量增加引起的光學(xué)禁帶寬度的變寬是一致的。a-Si-H薄膜具有較高的光電導(dǎo)電率σph，在光照條件AM1下可達(dá)1×10-3S/cm。除了光照強(qiáng)度外，未摻雜a-Si-H的σph與薄膜沉積條件有密切的關(guān)系。其中影響大的首先是襯底溫度。襯底溫度的高低直接影響到氫化非晶硅薄膜的包含量和缺陷密度。這將直接影響載流子的復(fù)合壽命和遷移率，因而影響光電導(dǎo)。通常以250℃為好。a-Si-H薄膜光電導(dǎo)的復(fù)雜性不僅是由于其禁帶中存在缺陷態(tài)，而且由于在光照作用下產(chǎn)生附加載流子時(shí)，缺陷態(tài)上電子數(shù)目也同時(shí)發(fā)生變化，缺陷態(tài)因荷電情況的不同，即帶正電、中性或負(fù)電而俘獲載流子的能力不同，電荷分布的變化甚至引起復(fù)合機(jī)理的改變。由于缺陷態(tài)上電子的填充情況將會(huì)影響光電導(dǎo)的大小，因此光電導(dǎo)隨摻雜情況及溫度而變化。2.2.1摻硼p型非晶硅薄膜的制備及光學(xué)性能的表征目前,氫化非晶硅薄膜制備技術(shù)主要有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD),微波電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(MWECR-CVD)以及射頻磁控濺射法等。其中,PECVD制備技術(shù)[9]具有對(duì)襯底溫度要求低，易于在玻璃襯底上大面積制備的優(yōu)點(diǎn)，這些制備優(yōu)點(diǎn)使其在太陽(yáng)能屋頂，太陽(yáng)能玻璃幕墻等光伏與建筑結(jié)合方面具備很大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是更有發(fā)展?jié)摿Φ某练e方法,并且已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。硅基薄膜太陽(yáng)電池一般多為PIN結(jié)構(gòu)，P層作為太陽(yáng)能電池的窗口層，是影響電池整體性能的重要因素，其帶隙的寬窄、電導(dǎo)率的高低將直接影響電池的短路電流及填充因子。研究表明[2],硼摻雜對(duì)非晶硅薄膜的光學(xué)性能有著極其重要的影響:隨著硼烷摻雜濃度的增加,(a)薄膜的透過(guò)率曲線的截止邊紅移。(b)薄膜的反射譜干涉峰紅移,且反射峰逐漸變寬。(c)摻雜非晶硅薄膜的折射率隨著入射光波長(zhǎng)的增加而減小,并且在波長(zhǎng)500nm處的折射率都達(dá)到了4.3以上。(d)薄膜在500nm處吸收系數(shù)高達(dá)1.5105cm-1,光學(xué)帶隙從1.8eV變化到1.7eV。(e)所有的光學(xué)參數(shù)表征都表明,硼烷摻雜濃度不宜過(guò)高,在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),0.4%摻雜濃度制得的薄膜做窗口材料最宜。薄膜電學(xué)性能這里未做研究和表征,硼烷摻雜濃度的具體確定還需綜合考慮薄膜的電學(xué)性能。3非晶硅薄膜的應(yīng)用目前制備Si薄膜大部分工藝是輝光放電，光CVD等技術(shù)[3]，盡管這些工藝都有它們的優(yōu)點(diǎn)，但是他們共同的缺點(diǎn)是薄膜沉積速率比較低，基板相應(yīng)都要加比較高的溫度，使用的設(shè)備和氣體成本十分高昂，而且使用的是有毒易爆的氣體（SiH4，BH3，PH5），操作不易控制[6-7]。自從1975年Spear等人在非晶硅薄膜中成功實(shí)現(xiàn)氣相摻雜以來(lái),非晶硅薄膜迅速在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域獲得應(yīng)用.氫化非晶硅薄膜具有高的光吸收系數(shù),制備工藝簡(jiǎn)單并易于大規(guī)模生產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于制作大面積、高效率的薄膜太陽(yáng)能電池,大屏幕液晶顯示和顯像平面電視機(jī)等[9-10]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一個(gè)主要方面，目前常用的太陽(yáng)能電池有單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅薄膜電池。單晶硅、多晶硅電池研發(fā)早，具有轉(zhuǎn)化效率高、生產(chǎn)工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，在歐美一些國(guó)家，因?yàn)檎膬?yōu)惠政策，得到了一定的推廣。但是單晶硅、多晶硅電池組件的硅料提純、制取過(guò)程中消耗大量的電能，發(fā)電成本遠(yuǎn)高于其他能源形式。這些在客觀上為非晶硅薄膜電池的發(fā)展提供了契機(jī)。3.1非晶硅玻璃薄膜電池簡(jiǎn)介非晶硅（a-Si）太陽(yáng)電池是在玻璃（glass）襯底上沉積透明導(dǎo)電膜（TCO），然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、i型、n型3層a-Si，接著再蒸鍍金屬電極鋁（Al），光從玻璃面入射，電池電流從透明導(dǎo)電膜和鋁引出，其結(jié)構(gòu)可表示為glass/TCO/pin/Al，最后用EVA、底面玻璃封裝，也可以用不銹鋼片、塑料等作襯底封裝。非晶硅玻璃薄膜電池發(fā)電原理與單晶硅、多晶硅電池相似，當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，空穴漂移到P側(cè)，電子漂移到N側(cè)，形成光生電動(dòng)勢(shì)，外電路接通時(shí)，產(chǎn)生電流。3.2非晶硅玻璃薄膜電池應(yīng)用氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜作為一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的光電子材料已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管和大面積平面顯示器件；近40年來(lái)，人們研究出了多種氫化非晶硅薄膜的制備技術(shù)，這些技術(shù)除了被廣泛采用的射頻輝光放電或稱射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)之外，還有甚高頻等離子體增強(qiáng)CVD(VHF-PECVD)、微波電子回旋共振CVD(MWECR-CVD)、熱絲CVD(HW-CVD)、光CVD和熱擴(kuò)展等離子體CVD等；在這些技術(shù)當(dāng)中,MWECR-CVD技術(shù),由于具有高電離度、高活性和離子能量可控等一系列優(yōu)異特點(diǎn)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[4]。目前，非晶硅玻璃薄膜電池組件在遮陽(yáng)、中空光伏組件等方面得到大量的應(yīng)用[5]。非晶硅光電活動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng)是安裝在建筑立面的一種新型戶外高端遮陽(yáng)產(chǎn)品，是利用非晶硅玻璃薄膜電池組件作為遮陽(yáng)板的一種具有發(fā)電、遮陽(yáng)功能的新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。主要由遮陽(yáng)板、托架、支桿、電動(dòng)推桿等幾部分組成。遮陽(yáng)板可以選用單晶硅、多晶硅電池組件或非晶硅玻璃薄膜電池組件，但是單晶硅、多晶硅電池組件中太陽(yáng)電池之間存在間隙，透光率過(guò)高，影響遮陽(yáng)效果。使用不透光非晶硅玻璃薄膜電池組件，透光率降到10%左右，遮陽(yáng)效果比較好。另外非晶硅玻璃薄膜電池組件的顏色均勻，線條平直，與建筑整體是協(xié)調(diào)的。4結(jié)束語(yǔ)非晶硅薄膜的應(yīng)用前景十分廣泛。a-Si:H的良好的光電性能使之首先在制造光電子器件中得到了應(yīng)用。研究表明，a-Si:H薄膜可以用于制造光敏電阻器、光敏二極管、攝像靶、圖像傳感器、辨色器、靜電復(fù)印股等。在制造發(fā)光器件方面，非晶硅及硅基合金薄膜也有一定的潛力但目前發(fā)光效率很低。a-Si:H薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面也已取得了不少成就。但重要的是提高它的穩(wěn)定性。但就目前來(lái)說(shuō)，比較成熟的還是制造太陽(yáng)能電池。參考文獻(xiàn)[1]葉林,劉衛(wèi)國(guó).氫化非晶硅薄膜的性能研究[A].紅外.2006,27（6）:25-28[2]夏冬林,王慧芳.摻硼p型非晶硅薄膜的制備及光學(xué)性能的表征[A].影像科學(xué)與光化學(xué).2010,28(4):296-304[3]楊玉樓，周建偉.直流磁控濺射制備非晶硅薄膜的研究[A].電子設(shè)計(jì)工程.2010,18(4):105-107[4]劉國(guó)漢，丁毅.MWECR-CVD法高速沉積氫化非晶硅薄膜[A].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2006,42(2):43-46[5]張旭鵬，楊勝文.非晶硅玻璃薄膜電池的應(yīng)用前景.技術(shù)創(chuàng)新.2010,5:29-31[6]SigurdWagner.Amorphoussilicon:Vehicleandtestbedforlarge-areaelectronics.physicastatussolidi.2010,207(3):501-509[7]ZheLi;XiwenZhang;GaorongHan.Electricalandopticalpropertiesofboron-dopednanocrystallinesiliconfilmsdepositedbyPECVD[J].physicastatussolidi.2010,207(1):144-148[8]X.H.Zhu;E.Defa.Low-temperaturefabricationofBa1?xSrxTiO3thinfilmswithgooddielectricpropertiesonplatinizedsiliconsubstrates[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety.2010,30(2):471-474[9]LeiZhao;HongweiDiao.Comparativestudyofthesu