非晶硅的物理特性

非晶硅的物理特性
非晶硅的物理特性
小不点奇迹2010年06月02日
普查与抽样调查
(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。
局域态在正常状态下是电中性的,对于价带尾的态,当它失去电子
时即带正电,故呈现为施主性质;而对于导带尾的态,当它获得电子时即带负电,故呈现为受主性质。因此,价带尾和导带尾的局域态分别是类施主能级和
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类受主能级。
非晶硅的悬挂键态——缺陷态(一种局域态)分布在能隙之中,悬
挂键密度的峰值位置对应着Fermi能级的位置。因为Si的悬挂键只有一个电子,呈现为电中性,所以悬挂键相当于起着施主作用,它的分布常常使得
Fermi能级偏向与靠近导带,从而导致一般的非晶硅总是呈现为n型导电性。
非晶态半导体的能隙往往称为迁移率隙(EC-EV)。因为能量EC和
EV是把扩展态与局域态分隔开的能量,而扩展态和局域态的导电机理不同,
其迁移率也相应地大不相同。处在高于EC的状态——扩展态的电子的输运,
因为受到缺陷的严重散射,则迁移率远低于晶体电子的迁移率;但低于EC的状态——局域态(常称为陷阱)电子的输运,则需要利用原子热振动的热能、通过跳跃来进行,因此迁移率很小。EC就是这两种状态、两种迁移率的能量分界线,故称为电子的迁移率边(mobility edge)。同样,EV称为空穴的迁移率边。
迁移率隙中的局域态是严重影响电子迁移率的重要因素。因此,为了提高非晶硅的载流子迁移率,就应该设法降低局域态密度。
②氢化非晶硅(a-Si∶H):
采用等离子体增强CVD方法、分解硅烷(SiH4)而得到非晶硅时,实际上在所得到的非晶硅中含有相当数量的氢原子,这种材料就是非晶硅-氢合金(a-Si∶H),常称为氢化非晶硅。a-Si∶H的密度约低于单晶硅的1%~3%。
氢原子在a-Si∶H中对于改善其性质起着很大的作用,根源在于氢原子可以使悬挂键饱和,如图1(b)所示。这就是说,氢原子的掺入可以降低非晶硅中的局域态密度(可降低4个数量级,达到1022/m3)。从而,a-Si∶H中的载流子迁移率有所提高。在氢含量约为10%的优质a-Si∶H中,主要由悬挂键引起的局域态密度很低(小于1016cm-3/eV)。a-Si∶H中电子迁移率的典型值达到了5~10 cm2/(V-s)。
虽然掺氢非晶硅(a-Si∶H)中的载流子迁移率较高于未掺氢的非晶硅,但是总的说来,终究因为a-Si∶H不是晶体,其中存在大量的缺陷,它的载流子迁移率还是很低的,特别是与单晶硅比较起来更是如此(单晶硅的电子迁移率约为1400 cm2/(V-s))。
由于非晶硅的低迁移率,所以非晶硅在高速或高增益器件方面的应
用受到一定的限制;但是,它因为便于淀积在各种大面积衬底上和制作成本低廉,故在低速电子器件、平面显示器、太阳电池、图像传感器等方面大有作为。
a-Si∶H的一个重大缺点就是其性能不稳定,即具有一种所谓亚稳
特性。导致a-Si∶H出现亚稳特性的原因是其结构缺陷的问题。因为在a-
Si∶H结构中存在着较弱的Si-Si键(键能约为1eV)、以及悬挂键和氢键,
它们之间将达到亚稳平衡;因此,就很容易通过外加能量使a-Si∶H结构偏离其原始平衡状态而产生衰退,同时也可以通过加热使它又从衰退状态回到原始
状态,这种状态之间的变化称为亚稳“亚稳效应”(metastability effect)。
a-Si∶H的亚稳特性也就是造成它的器件性能不稳定的重要原因。例如,对于a-Si∶H TFT,在较长时间施加栅偏压以后,阈值电压以及亚阈斜率
将发生漂移,就是这种亚稳特性的表现。又如,a-Si∶H太阳电池,在受到太
阳光照射之后,其暗电导和光电导会随着光照时间的延长而不断下降,但若在200oC下退火几小时之后,又会恢复到原来的数值,这种现象往往称为SW效
应(stabler-wronski effect)。也正是由于这个原因,采用a-Si∶H制作的有源选址液晶显示器(AMLCD),不能在太阳光照射下长时间地工作。
研究表明,a-Si∶H出现亚稳特性的重要过程就是外界作用使得a-Si∶H中产生出新的悬挂键。因此,引起a-Si∶H性能不稳定的根本原因就在
于较弱的Si-Si键的存在以及氢键的参与。可见,a-Si∶H中10%左右的氢,
可以起到使悬挂键饱和的良好作用,但与此同时氢又将引起不良的亚稳衰退效应。总之,a-Si∶H的稳定性仍然是一个有待解决的重要问题。
(2)多晶硅:
多晶体是包含有晶粒(单晶体)和晶粒间界(缺陷)的晶体。
在MOS器件及其集成电路中,现在多采用掺杂多晶硅做栅极金属材料,以来代替Al。在此,它所表现出的优点是:①与Si工艺兼容,并且能耐房地产法论文
较高温度的退火处理(在自对准源/漏注入之后,高温退火是必须的);②多
晶硅能够通过掺杂而获得n型或p型,同时利用掺杂可以改变其功函数(这对于对称CMOS技术至关重要)。H无穷控制
但是,多晶硅在微电子应用中也存在着若干缺点:①多晶硅具有较
高的电阻率(较高的电阻对于器件的直流特性虽无大的妨碍,但是作为输入端
的栅极而言,将要严重影地响到器件的高频性能,如噪声和最高振荡频率);
fm2009下载②多晶硅栅薄膜在靠近氧化层的一侧会出现耗尽层,这将使得栅极的有效电容
减小,并且这种作用还将随着氧化层的减薄而变得更加严重。正因为多晶硅栅
极的这种缺点,所以又进一步发展出了采用高熔点金属及其硅化物(如W、Mo、TiN、TaN、NiSi)来代替多晶硅材料;在这种栅极结构中,电极材料的电阻率
较低,而且又不出现耗尽层。

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