3.1非晶硅结构及性质

非晶硅结构及性质
非晶硅在今天的科学和工业领域已经变得越来越重要。掌握非晶硅的结构和 性质不仅能帮助我们理解材料科学中的基本概念，还有助于我们将其应用于 日常生活中。
非晶态材料的概念
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什么是非晶态材Βιβλιοθήκη ？非晶硅是一种无定形固态材料，其结构没有晶体的周期性重复性，而是表现出随 机的各向同性分布。
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分类
其他非晶质材料有非晶态碳、非晶态合金、非晶态硼氢化物等。
非晶硅的电学性质
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电导率
非晶硅的电导率介于金属和绝缘体之间，是非常重要的电学性质。
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电子迁移率
非晶硅的电子迁移率是其载流子在它们运动过程中所受的驱动力影响。
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禁带宽度
非晶硅的禁带宽度是电学特性之一，影响着其在电子器件中的应用。
非晶硅材料的应用领域
太阳能电池
非晶硅材料在太阳能电池的制备过程中起着核心 作用，在太阳能电池中的市场需求不断增长。
物理气相沉积是一种比较传统的非晶硅薄膜制备方法，适用于制备低掺杂、非晶硅薄膜生长 速度较慢的情况。
化学气相沉积PECVD
化学气相沉积是非晶硅薄膜制备广泛使用的方法之一，具有生长速度快、致密等特点。
等离子体增强化学气相沉积PECVD
等离子体增强化学气相沉积可以提高反应速率和均匀性，是制备高质量非晶硅薄膜的理想方 法。
非晶硅的形貌和特点
非晶硅的形貌
非晶硅的表面形貌比较光滑，无 法通过显微镜观察其结构。
非晶硅的特点
非晶硅的电学特性较为优异，常 用于太阳能电池和电子器件中。
非晶硅的局部有序性及其 影响
非晶硅的局部有序性虽然较小， 但仍对其光学和电学性质产生重 要的影响。
非晶硅的物理性质

非晶硅的物理特性非晶硅的物理特性2010年06月02日（非晶硅的能带与单晶硅有何本质上的不同？氢原子在非晶硅中的作用怎样？什么是a-Si∶H的亚稳特性？）非晶硅（a-Si）是常用来制作薄膜晶体管（TFT）的一种非晶半导体材料。

非晶硅薄膜通常是采用气相淀积的方法来制备，包括真空蒸发、溅射、辉光放电和化学气相淀积（CVD）等。

①非晶硅的结构和能带：晶体硅中原子的排列都遵从正四面体的分布规律（共价键的长度为0.35nm，键角为109o），具有长程有序性，电子状态及其运动可用Bloch波和波矢来描述。

而非晶硅中原子的分布不完全是遵从着正四面体的规律（共价键长度变化约2%，键角变化约10%），是所谓短程有序的；即非晶硅中原子的分布基本上是正四面体的形式，但是却发生了变形，即产生出了许多缺陷——出现大量的悬挂键和空洞等，如图1（a）所示。

非晶硅的密度约低于单晶硅（2.33g/cm-3）的3%～10%。

正因为非晶硅的结构不具有长程有序性，因此，非晶硅中的电子状态就不能用Bloch波来描述，也因而不能采用波矢（k）或者动量（?k）来描述电子的运动。

图2 非晶半导体的能隙由于非晶硅的结构具有短程有序性，所以其中电子的能量状态仍然具有类似于晶体的能带形式，但是有很大的不同。

图2示意地给出了一种非晶态半导体的电子能量E与状态密度g(E)的函数关系。

可见，非晶态半导体具有导带、价带和其间的能隙；在导带和价带中的扩展态与晶体的Bloch态相同；并且在能隙中存在许多局域态。

在靠近能隙的上、下两边处的局域态特称为带尾状态，意即扩展态的能带尾巴（但不是扩展态），来自于结构的无序化。

可见，带尾状态与弱Si-Si键有关，也因此带尾的宽度可看成是非晶硅薄膜无限度的一种量度。

一般，价带的带尾要比导带的带尾宽。

该带尾的宽度又称为Urbach能（或Urbach斜率）；可以通过光吸收系数法、恒定光电流法（CPM）或光热偏转法（PDS）等的测量来确定。

3.3.1 二氧化硅膜的结构
热氧化工艺生长的二氧化硅薄膜具有无定形玻 璃状结构。这种结构的基本单元是一个由Si—O 原子组成的正四面体，
3.3.2. 二氧化硅膜的性质
不同方法制备的二氧化硅膜的物理性质有所不同如密 度、折射率、电阻率、介电常数、介电强度等 二氧化硅膜的化学性质：有极高的化学稳定性，不溶 于水，除氢氟酸外，其他酸与其不起作用，可以被HF 所腐蚀，二氧化硅膜的绝缘性能。Si—SiO2的界面特 性 在此界面上与存在着二氧化硅层中的可动离子电荷， 所以控制Si—SiO2中的电荷数目及漂移是关注的问题 之一。
多晶硅
单晶硅是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列,而 多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的规 则排列,但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同 。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体组 成的，如图3.2所示。
多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特性 ，它在微机械加工技术中多用于作为中间加工层材料 。在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加工 ，而且还可以根据器件的需要充当绝缘体、导体和半 导体。
3.1.2.3 硅片制备
从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和化 学腐蚀，表面抛光以及清洗，检测和若干其他辅助工 艺。 （1）晶向测定
在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要进 行定向，使晶向及其偏差范围符合工艺规范要求，用 X射线衍射定向法测定。 （2）机械加工
单晶硅外形整理，切割分段，外圆滚磨和定位面研 磨等，然后进行切片。对于大直径单晶硅，应使用带 式切割机切断。
3.1.2.1 单晶生长
工业上使用的单晶炉，普遍采用石墨电阻加热式单 晶炉。其组成部分有炉腔部分、提升机构，气参控 制、电子控制和电源。
拉晶过程中必须在真空或高纯惰性气氛中进行，以 免熔硅和石墨在高温下氧化。可供选择的惰性气体 有氦或氩。

非晶硅的基本特性
➢ 晶体硅为间接带隙结构，而非晶硅为准直接带隙结构，所 以非晶硅的光吸收系数很大。而且，带隙宽度也不是晶体硅的 1.12eV，氢化非晶硅薄膜的带隙宽度为1.7eV。并且，非晶硅的 带隙宽度可以通过不同的合金连续可调，其变化范围为 1.4~1.7eV。
➢ 在一定范围内，取决于制备技术，通过改变合金组分和掺 杂浓度，非晶硅的密度、电导率、能隙等性质可以连续的变化 和调整，易于实现新材料的开发和优化。
✓ 由于非晶态半导体 中存在大量的晶格缺 陷，所以在能隙中会 引入一个缺陷定域带。
✓ 如果缺陷定域带是没有被电子完全占据的补偿能级，那么费米能级就位于 缺陷定域带的中央位置；如果缺陷引入的是不具有补偿作用的能级，缺陷能带 就分裂为施主能带和受主能带，费米能级则位于两者的中央。
非晶硅的能带结构
➢ Mott-Davis模型
非晶硅薄膜的掺杂
➢ 非晶硅薄膜的杂质
✓ 除了可以控制的掺杂元素P、B等元素外，非晶硅中最主要的杂质为氧和氮， 其它类型的杂质由于量少等原因，对非晶硅性能的影响并不明显。
✓ 非晶硅中的氧和氮主要有PECVD的真空度不足或者设备漏气造成的，可能 在能隙中引入施主能级，属于施主能级，可能改变非晶硅的缺陷态密度，载流 子浓度和电场分布，从而影响非晶硅的电导率，从而影响太阳电池的效率。
✓ 在实际制备n型非晶硅薄膜时，其掺杂浓度首先要考虑费米能级的控制，其 次要考虑能够与i层接触形成较高的势垒，另外还要求它能与金属电极接触形成 良好的欧姆接触。
➢ P型非晶硅的掺杂
✓ 制备p型时，一般采用B2H6进行掺杂。 ✓ 与PH3相比，硼原子的掺杂效率要低，也就是活化率低，要达到相同的电导 率，需要掺杂更多的硼原子。B2H6/SiH4的掺杂浓度一般为0.1~2% ✓ 在非晶硅电池中，p型层为受光面，其掺杂时一方面要考虑掺杂浓度对费米 能级的影响，另一方面要有较高的透过率；同时还要满足势垒展宽的需要