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非晶硅薄膜的性能与应用
摘要：
非晶硅薄膜是一种常用的红外波段光学薄膜材料，
具有红外吸收系数小，
折射率高（
3.0
～
4.0
）
、热特性好等优点。本文综述了非晶硅的结构，性能
以及
应用。
关键词：
非晶硅，薄膜，电性能，光电性能
1
前言
非晶硅薄膜是一种常用的红外波段光学薄膜材料，
具有红外吸收系数小，
折
射率高（
3.0
～
4.0
）
、热特性好等优点
< br>[6-7]
。作为太阳能电池的无定形（
a-Si
）薄
膜日益受到关注，同时它们在显示器、传感器方面，也有很大的应
用前景。
1.1
非晶硅薄膜的结构
非晶硅中原子的排
列可以看作构成一个连续的无规网格，
长程无序。
因此有
时也把非晶半导体称为无序半导体。
但就一个硅原子讲，
它与最邻近或次临近原
子的情况基本相同。
因此原子
化学性质所决定，
所以键长基本一致，
键角偏差也
不大。
因此非晶硅保持着短程有序。
长程无序而短程
有序的结构特点对于非晶半
导体的能态、
能带及性能都有决定性
的影响。
例如，
价带顶和导带底各有一个局
域态组成的能带尾，
禁带中也存在局域化的缺陷带。
薄膜是
非晶半导体的主要应
用形式，
非晶硅
薄膜中得到研究和应用的主要是氢化非晶硅（
a-Si
：
H
）薄膜，
氢化非晶硅比未氢化非晶硅具有好
得多的性能非晶半导体的掺杂和
p-n
结构的创
造也是首先在氢化非晶硅中实现的。这对非晶硅薄膜的应用具有非常重要的意
义
。
2
非晶硅薄膜的性能
2.1
电学性能
根据非晶半导体理论，
同时考虑导带和价带的扩展态、
导带和价带尾部的局
域态、禁带中费密能级附近的缺陷局域态中电子的贡献，总电导由扩展态电导、
带尾局域态电导、
费密能级附近的局域态电导，
以及低温下的变
程跳跃电导组成。
在温度较高时非晶半导体的导电机理主要由扩展态电导决定。
对于用辉光放电法
沉积的
a-Si
：
H
薄膜，
实验测量结果表
明，
在温度
T
≈
240K
时电导率温度关系的
斜率发生变化。斜率即热激活能
的变化是由于导电机理的变化。温度高于
240K
时非晶硅薄膜
的电导主要是扩展态电导。扩展态电导的电导率可用下式表示
E
C
?
E
F
?
?
?
min
exp(
?
)<
/p>
kT
式中，
σ
min
是扩展态电导率的最低值，称为最小金属化电导率；
E
C
是把导带扩
展
态和带尾局域态分开的能量；
E
F
是费
密能级。
上式说明了非晶硅的扩展态导电机理与单晶硅的相类
似。
但由于非晶硅的结
构无序性以及缺陷较多，因此其扩展态的
迁移率比单晶硅要低得多，仅为
1
～
1
0
㎝
2
/
（<
/p>
V
·
S
）
。
2.1.1
非晶硅薄膜的电学性质分析
测试
a-Si
：
H
薄膜
的电阻率、
方阻、
TCR
电学性能参数
是非晶硅薄膜的一个重
要性质参数。
TCR
是表示温度每改变
1
℃时电阻值的相对变化量，四探针是分
析
a-Si
：
H
薄膜电学性质的一种有效途径。常规直线四探针测试法的示意图如图
1
所示
,
将位于同一直线上的四个探针置于一平坦的样品
（其尺寸相对于四探针
,
可视为无穷大）
上
,
并施加直流电流于外侧的两个探针上
,
然后在中间两个探针
上用高精度数字电压表测量电压（
V
23
）
,
检测位
置的电阻率
ρ
（
Ω
·
cm
）为
V
23
?
?
C
I
式中
1
1
1
1
?
1
C
?
2
?
(
?
?
?
)
< br>S
1
S
1
?
S
2
S
2
?
S
3
S
3
为四探针的探针系数（
cm
）
，
S
< br>1
、
S
2
、
S
3
分别为
1
、
2
、
，
2
、
3
和
3
、
4
探针之间的
距离。
用
PECVD
沉积的非晶硅的应力较小
,
而且是张应力
,
这有利于探测
器的后期
设计。通过测定非晶硅的光学性能
[1]
,
发现非晶硅具有高电阻率、高
TCR
的特点。
非晶硅的高电阻率在使用直流偏置的条件下不会导致过热
,
从而可简化偏置电
路；高
< br>TCR
则代表着电阻对温度变化敏感
,
这对于制造红外热成像器件是非常重
要的实验结果表明
,
当电阻率在一定的范围内时
,TCR
与电阻率几乎成线性关系。
图
1
四探针测试示意图
2.2
光学与光电性能
a-Si-H
的吸收吸收光谱曲线符合非晶半导体吸收系数变化的一般规律，其
吸收
系数曲线也包括三个吸收区，
即由电子从价带扩展态到导带扩展态的带间跃
迁所决定的高吸收区，
主要由电子从价带扩展态到导带尾部局域态或从价带尾
部
局域态至导带扩展态的跃迁所决定的指数吸收区，
以及由带内
跃迁
（自由载流子
吸收）
和带尾之间的
跃迁所决定的弱吸收区。
我们知道，
单晶硅是一种间接带隙
半导体，吸收系数较小。吸收限约在
1.1eV
即
1.1
μ
m
处。而对于非晶硅，由于
缺乏长程序，
电子态的波矢测不准
性达波矢本身的数量级，
电子跃迁中不再受准
动量守恒的限制。
因此非晶硅中电子带间跃迁的概率就具有与直接带隙半导体相
似
的特点。
a-Si-H
薄膜的折光率
与结晶硅的相近。在膜的氢含量从
10%
增加至
50%
时，
折射率下降约
5%
。这是与氢含量增加引起的光学禁带宽度的变宽是一致的。
<
/p>
a-Si-H
薄膜具有较高的光电导电率
σ
ph
，在光照条件
AM1
下可达
1
×
10
-3
S/cm
。除了光照强度外，未掺杂
a-Si-H
的
σ
p
h
与薄膜沉积条件有密切的关
系。
其中
影响大的首先是衬底温度。
衬底温度的高低直接影响到氢化非晶硅薄膜
< br>的包含量和缺陷密度。
这将直接影响载流子的复合寿命和迁移率，
因而影响光电