本文關(guān)鍵詞：氫化非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)及其物理效應(yīng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜是一種重要的半導(dǎo)體材料,由于其具有優(yōu)越的光電特性而被廣泛地用于各類光電子器件。然而,a-Si:H薄膜具有值得研究的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),不僅體現(xiàn)在非晶網(wǎng)絡(luò)中原子的隨機(jī)排列以及氫原子成鍵的多樣性和多變性,而且也體現(xiàn)在薄膜結(jié)構(gòu)對工藝條件的敏感性,以及在不同條件下產(chǎn)生的各種微結(jié)構(gòu)。a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多變的特點(diǎn)使得對其結(jié)構(gòu)的理解、特性的預(yù)測以及工藝條件的穩(wěn)定性等問題的解決出現(xiàn)諸多難點(diǎn)。本文研究工作緊密圍繞a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu)及其物理效應(yīng)而展開,采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究思路,利用多種薄膜制備技術(shù)和性能表征手段,深入研究了a-Si:H薄膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其演變機(jī)制,以及相關(guān)光電特性的變化及其結(jié)構(gòu)起源。具體內(nèi)容可以概括為以下幾個(gè)方面:(1)利用多種材料結(jié)構(gòu)和特性表征手段,深入研究了a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu)(包括非晶網(wǎng)絡(luò)有序度、Si-H鍵組態(tài)以及Si-Si弱鍵等)的原位演變機(jī)制。基于a-Si:H薄膜的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了適當(dāng)?shù)碾娮幽軕B(tài)密度模型,并結(jié)合a-Si:H薄膜本身的材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對帶邊態(tài)密度的分布特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)起源進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明,提高薄膜沉積時(shí)的基片溫度,不僅可以改善非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序度和Si-Si弱鍵的分布,而且可以在很大程度上改變薄膜中的H含量和Si-H組態(tài);光學(xué)吸收特性的變化表明,在對帶邊分布具有競爭作用機(jī)制的兩種(H原子的氫化效應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序度)結(jié)構(gòu)變化中,氫化效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。(2)對薄膜制備工藝條件中的非傳統(tǒng)調(diào)控技術(shù)(氣體預(yù)熱和微波退火)進(jìn)行了深入研究。同時(shí)從輝光放電等離子體特性和微波非熱效應(yīng)的角度出發(fā),對調(diào)控技術(shù)的作用機(jī)制進(jìn)行了深入的探討。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在其它工藝參數(shù)(如基片溫度、氣體壓強(qiáng)和射頻功率等)達(dá)到最佳值時(shí),可以適當(dāng)提高輝光放電前的氣體預(yù)熱溫度,進(jìn)一步優(yōu)化薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性能,其作用機(jī)制很可能是通過改變氣體分子的振動能態(tài),影響了等離子體中的反應(yīng)過程以及各種離/粒子的熱泳特性;在無其它輔助材料參與的條件下,盡管微波場不能使a-Si:H薄膜晶化,但仍能在較大程度上對其結(jié)構(gòu)(非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Si-H鍵)進(jìn)行調(diào)控,其調(diào)控機(jī)制來自于薄膜中H原子的低能輸運(yùn)方式,據(jù)此,本文提出了相應(yīng)的非晶網(wǎng)絡(luò)局部結(jié)構(gòu)演變模型,用于描述a-Si:H薄膜在與微波場的交互作用過程中的結(jié)構(gòu)變化。(3)對a-Si:H薄膜的光譜橢偏表征技術(shù)進(jìn)行了深入研究,包括色散模型的比較和修正,以及電子態(tài)密度的提取。對Forouhi-Bloomer(FB)模型和Tauc-Lorentz(TL)模型而言,由其分別得到的薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)出現(xiàn)了一定偏差,其原因源自于二者對相關(guān)物理過程的不同假設(shè)和數(shù)學(xué)計(jì)算的不同處理;針對FB模型的物理不完備特點(diǎn),本文結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道和a-Si:H薄膜本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚万?yàn)證,結(jié)果表明修正后的模型具有更好的擬合能力。利用a-Si:H薄膜電子態(tài)密度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦m當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法,通過對介電函數(shù)的參數(shù)化,直接從橢偏譜中提取了薄膜的電子結(jié)構(gòu)信息,并對其產(chǎn)生的電子態(tài)密度響應(yīng)進(jìn)行了綜合研究。結(jié)果表明,由于電子特性的差異,薄膜結(jié)構(gòu)的變化對價(jià)帶邊的影響更大,薄膜光學(xué)吸收能力在長波和短波范圍內(nèi)呈現(xiàn)出相反趨勢;同時(shí),橢偏儀得到的粗糙度與原子力顯微鏡得到的值相差較大,其原因可能在于對表面粗糙層的不同界定。(4)圍繞a-Si:H薄膜的元素?fù)诫s及合金化,揭示了磷(P)在薄膜中摻雜效率的演變規(guī)律,以及釕(Ru)對薄膜結(jié)構(gòu)和特性的影響。利用不同的現(xiàn)代材料表征手段,發(fā)現(xiàn)基片溫度的升高抑制了P原子四配位結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,從而降低其摻雜效率。通過磁控共濺射技術(shù)首次將Ru引入到a-Si:H薄膜中,測試結(jié)果表明,Ru的進(jìn)入使非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加紊亂、缺陷進(jìn)一步增多,但導(dǎo)電性急劇提高,同時(shí)產(chǎn)生了g=2.02的新順磁中心;薄膜電阻溫度系數(shù)TCR的變化表明,Ru摻a-Si:H薄膜具有良好的紅外敏感特性;基于對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論的分析,提出了Ru的摻雜模型用以闡述薄膜宏觀特性的微觀結(jié)構(gòu)起源,認(rèn)為Ru原子很可能以sd3雜化的方式嵌入到非晶網(wǎng)絡(luò)中,在價(jià)帶頂附近形成類受主能態(tài),從而改變了薄膜的導(dǎo)電特性和懸鍵的荷電狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：氫化非晶硅薄膜 非傳統(tǒng)調(diào)控 摻雜及合金化 光譜橢偏 結(jié)構(gòu)演變 物理效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O484
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-35
• 1.1 非晶半導(dǎo)體概述14-16
• 1.2 氫化非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)16-25
• 1.2.1 硅原子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)16-20
• 1.2.2 氫原子成鍵模式20-22
• 1.2.3 微結(jié)構(gòu)22-25
• 1.3 氫化非晶硅薄膜光電特性25-29
• 1.3.1 光學(xué)性質(zhì)25-26
• 1.3.2 電子性質(zhì)26-29
• 1.4 氫化非晶硅薄膜的器件應(yīng)用29-32
• 1.4.1 非制冷紅外探測器29-30
• 1.4.2 太陽能電池30-31
• 1.4.3 薄膜晶體管31-32
• 1.5 本文主要工作32-35
• 1.5.1 選題意義32
• 1.5.2 主要研究內(nèi)容32-33
• 1.5.3 本文結(jié)構(gòu)安排33-35
• 第二章 薄膜制備及表征35-47
• 2.1 引言35-37
• 2.2 氫化非晶硅薄膜PECVD生長機(jī)理37-39
• 2.3 樣品制備39-40
• 2.3.1 PECVD制備a-Si:H薄膜39
• 2.3.2 MSPVD制備a-Si:H和a-Si薄膜39-40
• 2.3.3 電極蒸鍍40
• 2.4 薄膜特性表征技術(shù)及其測試原理40-47
• 2.4.1 Fourier變換紅外光譜40
• 2.4.2 Raman散射光譜40-41
• 2.4.3 原子力顯微鏡（AFM）41-42
• 2.4.4 掃描電子顯微鏡（SEM）42-43
• 2.4.5 透射電子顯微鏡（TEM）43-45
• 2.4.6 電子自旋共振（ESR）45
• 2.4.7 橢圓偏振光譜（Ellipsometry）45-47
• 第三章 帶邊分布及其結(jié)構(gòu)影響機(jī)制47-69
• 3.1 研究背景47-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程48-49
• 3.3 結(jié)構(gòu)性質(zhì)49-57
• 3.3.1 非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)49-51
• 3.3.2 Si-H鍵振動特性51-54
• 3.3.3 Si-H鍵組態(tài)原位演變54-57
• 3.4 電子性質(zhì)57-68
• 3.4.1 基于介電函數(shù)的電子能態(tài)密度分析57-64
• 3.4.2 光學(xué)吸收特性64-68
• 3.5 本章小結(jié)68-69
• 第四章 薄膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的非傳統(tǒng)調(diào)控技術(shù)69-94
• 4.1 引言69
• 4.2 氣體溫度調(diào)控69-85
• 4.2.1 研究背景69-70
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)過程70-71
• 4.2.3 結(jié)構(gòu)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 非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)75-76
• 4.2.3.4 Si-H組態(tài)演變76-78
• 4.2.4 光學(xué)特性和電子輸運(yùn)78-84
• 4.2.4.1 光學(xué)特性78-81
• 4.2.4.2 電子輸運(yùn)81-84
• 4.2.5 氣體預(yù)熱作用機(jī)制84-85
• 4.3 a-Si:H薄膜與微波交互作用85-93
• 4.3.1 研究背景85-86
• 4.3.2 微波加熱原理86-87
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)過程87-88
• 4.3.4 結(jié)構(gòu)分析88-91
• 4.3.4.1 非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)88-89
• 4.3.4.2 缺陷演變89-90
• 4.3.4.3 Si-H鍵組態(tài)演變90-91
• 4.3.5 微波作用機(jī)制分析91-93
• 4.4 本章小結(jié)93-94
• 第五章 光譜橢偏研究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 薄膜光學(xué)相干效應(yīng)97-98
• 5.2.4 橢偏測量原理98-99
• 5.3 光學(xué)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 實(shí)驗(yàn)過程102-103
• 5.3.4 Raman散射分析103-104
• 5.3.5 模型對比研究104-111
• 5.3.6 模型修正111-113
• 5.4 基于光譜橢偏的薄膜特性和電子能態(tài)密度分析113-130
• 5.4.1 研究背景113-115
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)過程115
• 5.4.3 理論模型115-118
• 5.4.4 結(jié)構(gòu)分析118-122
• 5.4.4.1 表面形貌118-119
• 5.4.4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Si-H組態(tài)119-122
• 5.4.5 橢偏分析和電子能態(tài)密度122-124
• 5.4.6 薄膜結(jié)構(gòu)和電子特性討論124-130
• 5.4.6.1 結(jié)構(gòu)分析124-126
• 5.4.6.2 光學(xué)特性、電子特性及其結(jié)構(gòu)起源126-130
• 5.5 本章小結(jié)130-132
• 第六章 元素?fù)诫s與合金化132-151
• 6.1 引言132
• 6.2 N型a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu)原位演變132-140
• 6.2.1 研究背景132-133
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)過程133
• 6.2.3 薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性133-139
• 6.2.3.1 順磁中心133-136
• 6.2.3.2 非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變136-137
• 6.2.3.3 Si-H組態(tài)137-139
• 6.2.4 光學(xué)特性139-140
• 6.3 a-Si:H薄膜的金屬摻雜與合金化140-149
• 6.3.1 研究背景140-141
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)過程141-142
• 6.3.3 結(jié)構(gòu)分析142-145
• 6.3.3.1 非晶網(wǎng)絡(luò)演變142-143
• 6.3.3.2 順磁中心143-145
• 6.3.4 電子輸運(yùn)145-147
• 6.3.5 相關(guān)物理效應(yīng)的結(jié)構(gòu)起源147-149
• 6.4 本章小結(jié)149-151
• 第七章 結(jié)論與展望151-154
• 7.1 全文工作總結(jié)151-152
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)152-153
• 7.3 展望153-154
• 致謝154-155
• 參考文獻(xiàn)155-171
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果171-174

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 周立偉;夜視技術(shù)的進(jìn)展與展望[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1995年04期

  本文關(guān)鍵詞：氫化非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)及其物理效應(yīng)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：324843