非晶态硅薄膜的制备及其肖特基势垒的研究.pdf

第卷第期 年月 半导学报体 五 一 二二二二二 二二之二二二二二二 二二 非晶态硅薄膜的制备及其 肖特基势垒的研究 陈 坤基何宇亮杜家方 南京大学物理弄 提要 利用辉光放电 由硅烷分解 在常规的系统中获得了非晶态硅书薄 膜由电子衍射图象及 一光衍射谱证实获得的硅薄 漠是无定形结构 由薄膜的红外吸收光 谱指出 制得的 薄膜中含有特征的 一 键结构 选用金属铝 铂与未掺杂的 薄膜形成 肖特基势垒 测其 一 特性 展示了 接近理想二极管的行为并求得它们的势垒高度分别为如 和伽 一 引言 非晶态半导体是目前国际上半导体研究的一个新领域而非晶态硅不仅是研究非晶 半导体的结构 能带模型和导 电机理的理想材料 而且又以其成本低廉为制作大面积非晶 硅太阳电池和光电显示板等光电器件展示了美好为前景自七十年代中期英国的 沐肚等人肠刀用辉光放电法研制出能进行掺杂的非晶硅薄膜后 使非晶半导体的研究工 作进人了一个新阶段 二 非晶硅薄膜的制备及其结构分析 制备方法 利用辉光放电 以下简称中的热电子 正离子的能量促使气体分解 生成 原子或原子团 淀积在温度较低的衬底上从而获得非晶硅薄膜 在负压淀积系统中 当直流或高频电场作用时 由衬底发射的热电子或气体中被电场 加速的电子撞击分子 使其激发或电离当热电子能量足够大时 就可以 打破况 心 分子的键 使其分解中的 一 键的键熊约所产生的离子 氢 化硅离子如 犷什 什 淤被吸引到淀积的衬底表面上 获得电子变 成原子后淀积在衬底表面上此时尽管在汽相中存在较高温度的热电子 但是衬底保 持较低的表面温度 使来到的具有较高能量的硅原子 原子团 很快把能量传递给较冷的衬 底 使其本身只能在原位或几十个原子范围内作迁移运动从而形成只能是短程有序的 年月 日收到 半导体学报 无定形结构薄膜而且同时 由于 一 键存在 使淀积的 一 中包含有氢在非 晶硅中正是由于包含了大量的氢厘米 因此饱和了由悬挂键造成的结构缺陷 大大降低了电活性缺陷的密度 我们的实验装置是在常规的卧式系统中 加人高频辉光装置 即 一 法 使用国产 的高频炉提供辉光电压 原料珍气体用高纯稀 释至一多体积 比 石英反应室在淀积前可预抽至 一 托真空度由针形阀控制进入反应室的的分 压力 用麦克劳气压计监测系统的真空度采用高纯玻璃态石墨作为衬底的支承体 并作 为发热体加热衬底片到需要的温度系统装置图略 在我们的 一 法中 试验了两种方法一种是无电极辉光放电装置 即电感式 一 法另一种是电容式 一 法两种装置都能获得结构缺陷较少的 一 薄膜 实验中发现淀积速率及的质量如光亮度 粘附性能等与系统中沮的分压 力 衬底温度 辉光 电压 电流密度似及衬底在辉光区的位置有关 特别是后者是能否长好 一 膜的工艺关键在我们实验中发现 衬底位置放在辉光区的阴极暗区附近时淀积速 率最高在相同的 分压力下 电容式 一 法要比电感式法淀积速率快 典型的工艺参数如下 分压 辉步电压电诚密度 底温度 妙 速率 卜二些生一卜 一上兰一一 止竺竺 一一兰一一卜 一竺竺 一 一兰且二一卜一二一一阵缪生一 书井一卜 一止竺一一一一宜兰一一 电容式 斗 法基本上是一种等离子体化学过程 在辉光放电过程中包含有 原子 分子 自由 电子 正离子 以及受激的分子之间的相互作用 反应产物是通过旧键的破坏和新键的建立 以及相反过程的矛盾统一而形成 因而是十分复杂的根据反应时系统 中的气压 电流密 度的不同 辉光放 电可以起分解作用 也能反过来起聚化作用 在我们的试验中 当 气压太高时 则聚化作用迅速发生 可以看到多硅烷体 二 的大分子 的黄色粉末 从等离子体中落到衬底表面上 薄膜的形貌及结构检验 外貌特征 实验发现使用单晶硅抛光片 片 以及玻璃片作为衬底材料 均能获得表面光 亮 粘附性能好的 一 膜这说明一的淀积对衬底材料选择并不灵敏 在不透明的抛光衬底上淀积的薄膜具有类似于结晶材料二样的有光泽的外貌 当膜较薄时会呈现出彩色的干涉条纹 在透明衬底上淀积的 一 膜 随厚度的增加 颜色由黄 红 暗银灰色 镜面一样 不透明为止 一 的无序结构 用透射电子衍射术来研究 一 薄膜的结构方法是首先将 一 膜与衬底分离 然后 用化学腐蚀使其减薄 再用观察其衍射图象 并与单晶 多晶薄膜由法 期 陈坤基等非晶态硅薄膜的制备叉其肖特基势垒的研究 一一一一一一 一一 目口口口 在不同衬底温度一 下淀积的膜进行比较衍射图象如图所示单晶 川 具有清晰的特征劳厄斑点 而多晶呈现衍射环 随着晶粒尺寸由大变小 从 不连续的环粒度入到清晰 敏锐的 衍射环粒度入 而当粒度为 图单晶 多晶及非晶硅膜的迭射电子衍射图象的比较 单晶 多寿薄膜 非晶薄膜 入左右时 衍射环开始弥散 而由 一 法制备的 一 薄膜的电子衍射 图 象 已完全弥散 证明其结构为无定形 用扫描电镜对 一 膜的表面结构进行了观 二奈 在倍率为未发现有晶态的 特征形貌如图所示 对制备的 角从 一 结构 图扫描电镜 一 薄膜的表面形貌 碑 一 薄膜进行了 一光分析 样品的 一光透射衍射谱线如 图 所示掠射 范围内谱线中没有出现结晶态的行射峰 同样证实制备的硅薄膜是无定形 狂么 半导体学报卷 图卜薄膜的光衍射谱线 中的健 对制备的薄膜进行红外富里叶光谱分析得到两个特征吸收峰 分别在 一 及 一 附近 如图所示 它们分别代表键的拉伸振动模 比吨 和摇摆振动模邓山 这与 翻 等人报道的结果闭 键拉伸 模在 一皿一 书 键摇摆模在 一立一一 相一致此外在 一又 一有一个较宽的吸收带 估计与 一 膜内含氧形 成 一 键及 一 键的另 一个弯曲振动模有关 并裸泪索冥 玉 波数 图卜 膜的红外宫里叶吸收光谱 一 薄膜的 电队率 在我们的系统中 由 一 法在衬底温度为 下获得的未 掺 杂 一 薄 膜 呈型利用光刻技术得到规则的桥式样品尺寸 产 用重掺杂的 型多晶硅层作欧姆接触 在温度时测量其电阻率勺这 表朋我们制备的未掺杂薄膜的电活性结构缺陷密度较低 三 金属 与 一 的肖特基势垒的研究 研究 一一 肖特基势垒的特性是有重要意义的 因它不仅为确定 一 的光电池的 期 陈坤基等非晶态硅薄膜的制备及其肖特基势垒的研究 瞥 性能提供理论数据 而且也是研究 一 材料体内和表面电学性质的有力手段为此 我 们在获得均匀的未掺杂 一 薄膜后 首先研究其肖特基势垒的特性 一 或班升肖特签势垒的结构 用真空蒸发的方法把或分别蒸着在一 上 厚的 一 薄膜上用光 刻技 术形成一系列面积不等一的肖特基势垒阵列为保证背面的欧姆接触 用重掺杂的型单晶作衬底 背面再蒸上一层 其结构示意图如图 所示为了对 一 和单晶的肖特基势垒直接进行比较 在一系列蒸发金属的过程中也同时包括对型 单晶硅上进行相同的步骤 在我们的系统中 由法制备的未掺杂的薄膜呈弱型 形成 一一 肖特基 势垒后的能带图如图 弓 所示 和 分别表示 一压 一 中电子和空穴扩展态 的 边界 据报道非晶硅的光学禁带宽度为 阁 势垒区建立在 一 一侧 并扩展进入薄膜一部 分在体内费米能级离艺 二 的距离为凡 从是接近扩展态底部的被离化的荷电 中心图中还画出了由于 一 中点缺陷如悬挂键 空位等的存在 而引人的位于禁带 中部的窄的缺陷能级 该缺陷能级的位置及密度与材料的制备条件及制备后的退火处理 有关这些能级在势垒区中也被离化 金属 盔 单晶 或 十多晶 币 夕 一 图 一一 肖特基势垒的结构示意图和能带图 则由图 可知 在平衡状态时肖特基势应的高度小 可表示为 币 为内建电势 当肖特基势垒在正向偏置时 则 卜特性可由下式表示 叮 凌一 式中为饱和电流密度 为外加的偏压 是二极管的品质因子 由于非晶半导体结构上的无序性 使非晶硅中的电子平均自由程比单晶硅中小得多 所以用来解释金属 一半导体整流现象的扩散理论比热离子发射理论更适 合于 一 中的情 半导体学报 况山则 一 肖特基势垒 中的饱和 电流密度可表示为 拌 瓦一币盯夜 式中 拼 为电子迁移率 为半导体中表面电场 从是扩展态底部掩 范围内有效能态的 数目 测试结果和分析 测量了 一一 一一 唯 一 三种类型的肖特基二极管的正向 特性绘成图由图可看出金属与非晶硅肖特基势垒的卜特性具有金属与单晶 硅势垒相同的形式由于 一 本体具有高的电阻率因此 在正向偏压下 电流要受 一 串联电阻限制实验中测得该串联电阻是欧姆的 且在室温下为 企时 它把电流 的指数行为值限制在 一 从图中可看出 一盆 及 一 肖特基二极管 的正向 一 特性 在串联电阻限制以前呈现很好的指数关系这展示了接近理想二极管 的整流特性 并由曲线的斜率求得 三种类型的肖特基二极管的品质因子 在一 之间 这三种类型的肖特基二极管具有相同的 值是很值得注意的 这是否能说明 肖 特基二极管的品质因子不受半导体材料的限制 而只与界面的状态和势垒 中的复合中心 有关呢 一 一 日日 碱 一一 一一 一一 图三种类型的肖特基势垒的正向卜特性 势垒高度价 由方程可知 只要求出方程中指数前项的值 就可求得势垒高度币 然而对 一 要精确计算出指数前因子是有困难的 因 为 产 与 一 的结构和制备条件有很大的关 系但是我们若能用实验方法直接测得 一 关系 就可间接求得势垒高度价 由上述思想出发 把图中 一 特性曲线外推至零偏压 其截距就是该测试温度下 的值我们求得在室温下 一一 势垒的为 一认 心 一 势垒的 为 一 一 期陈坤基等非晶态硅薄膜的制备及其肖特基势垒的研究 我们测量了从一温度范围内的 一一 肖特基势垒的 卜特性示于图 分别外推至零偏压求出对应于不同温度下的值在图中绘出了与测试温度的 变化关系呈现近似指数变化规律由曲线斜家求得激活能 把上述的结果与方程式比较 方程中指数前项 拌 相对地与温度无关 则的激活能 就与势垒高度币相当 即 一 的势垒高度 饥 代人 方程 求得指数前项为认 在图中 将 一一 肖特基二极管的 一 特性外推至零偏压 求得 一 利用 一功盯友 关系计算出 一一 的势 垒高度 咖 一 飞 日 试 甘 斗 胜卜卜 卜介心了 一 八甘 二 几 图不同温度下的 一一 肖特基 势垒的卜特性 六布犷旅厂或丫方代含弓了万军 护 一盆 图 人 一一 肖特基势垒的 儿的关系 四 结论 采用国产的托和 由 一 法在常规的系统中 能制备出态密度较 低的 一 薄膜未掺杂的 一 薄膜的电阻率为 口一 我们获得的 一 肖特基势垒与 一 一 肖特基势垒具 有相似 的正向 一 特 性在串联电阻限制前呈现很好的指数关系 用肖特基势垒的 一 特性随温度的变化来确定其势垒高度以及方程中指数前 项数值的方法是可行的 求得的伪 产 凡的道为 沪 时 与用 山 等人山所报道的 产 的值代人后计算求得的值相符 本工作得到吴汝麟教授的启发和指导杜德成同志参加部分工作 在肖特基势垒的制作 电子显微镜观察 五一光分析等方面得到南京 所 南京大 半导体学报卷 学物理系晶体组廖秉良 杜德安同志及化