热敏材料掺磷非晶硅的退火行为

热敏材料掺磷非晶硅的退火行为热敏材料掺磷非晶硅的退火行为 第 卷第 期 月 功能材 与器件学报 热敏材 掺磷非晶硅的退火 为 马铁英 李铁 周萍 刘文平 王跃 中国科学院微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验 室 微系统技术国家实验室 上海 中国科学院研究生院 京 摘要本文对 制备的红外热敏材 掺磷非晶硅薄膜的两个关 键热电参数一红外吸收系数 和电阻温度系数 采用红外透射谱 拉曼谱和电阻率测 进 了深入 的研究 实验结果表明 对样 品进 退火 后 薄膜结构可以达到稳定 随着退火温度的增加 样品的 红外透射率下降 当 退火温度达到 时 薄膜完全晶化 与此同时 电阻率和 电阻温度系数随掺杂浓度和退火温度 的增加而减小 根据 的模型 对这些现象进 了解释并给出了制备和退火的优化 条件 关键词非晶硅 退火 红外 电阻温度系数 修订日期 基金项目国家 项目 基于碳纳米管敏感结构与传感器 上海 基金 基于闪耀光栅 红外光 谱仪技术研究 作者简介马铁英 一 女 泸州人 在读博 士 从事 红外传感元器件制备和性能研究 期 马铁英 等热敏材 掺磷非晶硅的退火 为 引言 近 来 集成电 和微电子机械 技术的发展促进了非制冷红外热成像技术的提升 非制冷红外探测器工作于室温 体积小 重 轻 功 耗低 性价比高 在军民领域都有广泛的应用前 景 目前 非制冷红外探测器以 公司 开发的热辐射计性能最好 其采用 为热敏材 但由于 与传统 工艺 兼容 成本较 高 大大限制了其进一步发展 非晶硅材 是近 受到广泛重视的热敏材 它具有电阻温度系数 较高 成本低廉 大面积均匀性好的优点 还 可同 工艺兼容 是作为红外热探测的一种 想材 目前对非晶硅薄膜材 的研究主要集 中在薄膜晶体管 太阳能电池 图像传感器等大面积 信息与能源器件的应用上 对其结构与光电导 暗电 导 激活能等性能的研究时有报道 而对作为红 外热敏材 的非晶硅薄膜的热电性能与结构的关系 较少有详细的研究 要制备高响应度的红外热探测元件必须具备以 下几个条件高电阻温度系数 高红外吸收系数 和低热导 其中 和 与薄膜的生长技术和材 的晶体结构有关 值与器件的热设计密切相关 改变非晶硅生长工艺条件对其影响很小 本工作采 用 技术制备了 同掺磷比的非晶硅薄膜 在 同温度和时间进 退火改性后 采用红外透射 光谱 分析与电阻温度系数测 研究了其热 电和红外吸收性能随薄膜结构变化的规 获得了 电阻率适中 电阻温度系数较高的掺磷非晶硅薄膜 的优化生长条件 为进一步非制冷红外探测器的研 究奠定了良好基础 实验 实验采用英国 生产的 型 系统制备 薄膜 沉 积腔为电容耦合的平 板式 反应气体为硅烷 稀释气体为氮气 生长过程中衬底温 度 气体压 反应气体组成及射频功率等参数可 控 实验的具体参数如表 所示 各样品采用氧化的低掺杂 作为衬底 氧化层厚度 的膜厚控制为 样品制备完成后 在 同时间和温度下 对样品进 了退火以激活 原子 退火完成后 测试了薄膜的 变温电阻率以求得电阻温度系数 并利用 和 光谱对其红外吸收和结构进 了分析 由于 结果表明 衬底的薄膜红外吸收率较高 基本掩盖了薄膜本身的信息 我们采用 衬底 薄膜完成了 测试 分析结果表明 型 低掺杂硅片在相同条件下生长的薄膜结构与 衬底上生长的薄膜结构基本一致 为了测试薄膜的变温电阻 首先将薄膜图形化 成 的电阻条 两端蒸发铝电极 然后合 金化 以获得良好的欧姆接触 样品的变温电阻测 试使用 半导体特性分析仪完成 并由 此计算出样品的电阻率和电阻温度系数 样品的红 外透射光谱由 红外光谱仪测 得 样品的 散射光谱由 型显微 光谱仪测得 激发光波长 功率 分辨率 结果与讨论 同掺杂和退火条件下非晶硅薄膜的红外透 射谱 图 是 同 掺杂比 下制得的 的红外透射谱 可以发现 在 大气窗口 波段 退火前的样品随着掺杂比 增加 在没有特征峰的波段上的红外透射率都接近 其特征峰主要出现在波数 处 分 别对应的是 摇摆振动和 弯曲振动组态 随 掺杂浓度的增加 特征峰的峰强逐渐增大 表明 组态逐渐代替 组态 我们的实验还表明 掺 杂比过大时 薄膜质 会变差 在退火图形化后薄膜 容 从衬底表面脱 掺杂比过小时 在退火温度 高于 时 电阻率极大 利于优化电阻率和电阻 温度系数 经过反复实验 我们选择掺杂比 的 样品进 进一步的退火实验 表 掺磷非晶硅生长参数 功能材 与器件学报 卷 图 退火前 同 掺杂比 条件下非晶硅的红外 透射谱 图 为掺杂比为 的非晶硅样品在 同时间 和温度退火后的红外透射谱 从图中可以看出 样品 在 退火时 在 波段 退火仅 分钟后所有特征峰全部消失 这表明退火处 后 各 种 键合断裂 原子大 从样品中脱离出来 较退火前 其透射率显著降低 退火时间 分钟后 透射率大小趋于稳定 表明非晶硅薄膜到达平衡态 故此 我们固定退火时间为 分钟采用 对 掺杂比的样品进 了退火 实验表明 退火温度越高 薄膜透射率越低 由此可见 薄膜的 透射率大小跟退火温度和时间密切相关 退火条件直 接影响薄膜的晶体结构 从而影响其红外透射率 因 此我们采用拉曼散射谱对 同退火条件下薄膜的内 部结构变化进 了研究 图 同退火时间 和 同温度退火 的掺杂比 非晶硅的红外透射谱 图 掺杂比 样品在 同时间 和 同温度 退火后的 光谱 期 马铁英 等热敏材 掺磷非晶硅的退火 为 非晶硅薄膜的 散射谱 图 为掺杂比 样品在 同时间和 同温度 分钟退火后的 光谱 位于 附近的类 模 附近的类 模 附 近的类 模和 附近的类 模和峰值在 附近的微晶峰表明 同掺杂比的非晶硅均为 微晶 晶混合相 从图 还可以看到 样品在 退火 后 微晶峰消失 结构从非晶 微晶 迅速蜕变为非晶 随着退火时间增加到 类 模的峰强略有增加 峰位向低波数左移 表明非晶颗 粒尺寸稍有减小 退火 的 谱与退火 的基本一致 这说明退火时间较长后有助于 样品结构短程有序增强 退火时间为 的样品 当退火温度从 增加到 时微晶峰减小直至消失 表明微晶成分 逐渐向非晶转化 退火温度继续增加到 波数在 处的晶态峰重新出现且峰强急剧增大 与此 同时 表征中程有序和短程有序的类 模和类 模基本消失 这说明 退火后薄膜已完全晶化 这与 等人的研究结果是一致的 非晶硅薄膜电阻率随 同掺杂和退火条件的变 化 图 图 为掺杂比 非晶硅样品随掺杂比 和退火温度升高 电阻率和电阻温度系数变化的趋 势图 在 退火 分钟后 薄膜的电阻 率和电阻温度系数在 为 后随着掺杂比增加 明显降低 随着退火温度的增加 样品的电阻率和电 阻温度系数在 后也急剧减小 当退火温度达 到 时 由于薄膜已经完全晶化 结果 电阻率较退火温度 时降低了 个数 级 后非晶硅的电阻率和电阻温度系数 图 掺杂比 非晶硅 电 率和电阻温度系数随退火 随掺杂比的变化规 温度的变化规 讨论 的模型 认为影响多晶硅电阻温度特性的 主要参数是晶界势垒高度 有效掺杂浓度和平均晶 粒尺寸多晶硅电阻率随势垒高度的增加呈指数上 升 而与有效掺杂浓度和平均晶粒尺寸大小的变化 为反比关系 势垒高度在所有因素中起主导作用 实验中 退火后 键由于热能作用断裂 会大 溢出 原子可进入 细微晶粒内部形成以 键为主的键合模式 键的大 断裂将促使 微晶晶界增生和移动 微晶成分向非晶转化 当 基本释放完毕后晶核重新形成并逐渐长大直到薄膜 完全晶化 在 时 载流子将得以释放成为自 由载流子 晶界势垒降低 电阻率将呈现急剧降低的 趋势 此时 虽然晶粒尺寸对电阻率的影响 成为 主导因素 故整体电阻率仍表现为急剧下降 掺杂 比越高 晶界势垒越低 故电阻率随掺杂比的增加而 减小 时 晶粒尺寸长大 晶界势垒进一步降 低 电阻率也进一步降低 在环境温度变化 大的情况下 电阻温度系数 功能材 与器件学报 卷 主要由晶界势垒高度决定 退火温度和时间相同 掺杂比越高的样品内部缺陷复合的数 越多 晶界 势垒高度也就越低 因此电阻温度系数随掺杂比增 大而降低 在样品掺杂比相同时随着退火温度的上 升 晶界势垒高度也同样会下降 故此 提高退火温 度也会使电阻温度系数降低 结论 综上所述 本文在采用 技术制备了 同掺磷比的非晶硅薄膜后 对 同退火时间和温度 下样品的结构对红外吸收率和电阻温度系数的影响 进 了研究 红外透射光谱表明 掺杂比较大时 样 品的