氫化硅薄膜的制備、特性及器件研究.pdf

1、氫化硅薄膜由于在紅外成像傳感器、太陽能電池及薄膜晶體管等微電子器件中有著廣泛應(yīng)用前景而備受關(guān)注。等離子體化學氣相沉積技術(shù)制備氫化硅薄膜工藝條件成熟穩(wěn)定而成為薄膜制備的首選方法。 本論文通過改變PECVD工藝條件，制備了非晶、微晶和多形硅三種氫化硅薄膜。運用多種分析與測試方法，研究了氫化硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學、電學和熱學等物理特性。選定多形硅薄膜為微測輻射熱計熱敏層，并重點從光學和熱學兩方面對微測輻射熱計結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

2、 在橢偏光譜儀中采用FB模型，擬合得到非晶硅薄膜的折射率和光學禁帶寬度，證明非晶硅薄膜的折射率和光學禁帶對襯底溫度的依賴關(guān)系。同時工作氣體壓強對非晶硅薄膜的沉積速率、光學禁帶和消光系數(shù)值也有顯著影響。傅立葉紅外光譜分析了在KBr襯底上沉積的非晶硅薄膜的官能團信息，說明襯底溫度和氣體壓強變化影響了薄膜中的氫含量改變。 以純硅烷為反應(yīng)氣源時，采用X射線衍射、拉曼和傅立葉紅外光譜表征說明隨著氣體壓強的升高，等離子體沉積過程產(chǎn)物形態(tài)變

3、化過程為：非晶硅(a-Si:H)→多形硅(pm-Si:H)→凝聚塊(agglomeration)→粉末(powder)。在較高的射頻功率密度下，采用高濃度氫稀釋硅烷為反應(yīng)氣源時，沉積產(chǎn)物形態(tài)變化過程為：微晶硅(μc-Si:H)→多形硅(pm-Si:H)→凝聚塊(agglomeration)→粉末(powder)。采用電極間熱梯度理論和氫刻蝕模型分析了微晶與多形硅晶化機理的差異，證明微晶硅薄膜的體積晶化率隨薄膜厚度的增加而增加，而多形硅的

4、體積晶化率對薄膜厚度沒有依賴關(guān)系。 通過研究硼摻雜濃度與氫化硅薄膜電學特性關(guān)系表明硼摻雜降低了薄膜的電阻率和方阻值，同時也降低了薄膜的溫度電阻系數(shù)。研究電阻對時間的依賴關(guān)系表明氫化硅電阻值隨測試時間增大而增大，XPS測試結(jié)果表明薄膜的氧化增大了薄膜電阻。實驗還證明氫化硅薄膜的晶化降低了電阻率和方阻值，光照和焦耳熱作用改變薄膜的電阻。搭建了半導(dǎo)體噪聲測試系統(tǒng)，對非晶、微晶和多形三種氫化硅薄膜的1/f噪聲測試分析說明薄膜的晶化使得薄

5、膜結(jié)構(gòu)的有序度更高，晶化降低了薄膜的1/f噪聲。 采用基于傅立葉熱傳導(dǎo)定律為理論基礎(chǔ)的靜態(tài)法測試了不同襯底溫度下制備非晶硅薄膜的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明薄膜的熱導(dǎo)率隨襯底溫度升高而增大。同時薄膜中存在Si-H鍵合的震動模造成熱量損失也導(dǎo)致薄膜熱導(dǎo)率降低。研究不同厚度的非晶、微晶和多形硅三種氫化硅薄膜的熱導(dǎo)率結(jié)果表明微晶硅薄膜的晶化增大了薄膜的熱導(dǎo)率。微晶硅薄膜的表面和薄膜底部存在和晶化率梯度一樣的熱導(dǎo)率梯度，即表面的熱導(dǎo)率高，而薄膜底部

6、的熱導(dǎo)率低。多形硅薄膜的熱導(dǎo)率和微晶硅相近，多形硅薄膜的熱導(dǎo)率增加一方面歸因于納米硅晶粒的存在，同時薄膜內(nèi)高的氫含量增大了薄膜的致密度，也使得薄膜的熱導(dǎo)率增大。 首次將多形硅薄膜用作微測輻射熱計溫阻層，以光學和熱學設(shè)計理論為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計了微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)。根據(jù)光學導(dǎo)納矩陣理論，用Matlab軟件模擬了不同厚度氮化鈦厚度和不同諧振腔高度膜系的紅外吸收率，諧振腔高度e=2.5μm時，微測輻射熱計紅外吸收率高，并且紅外吸收率隨氮化