金屬摻雜非晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)演化及光電性能研究.pdf

1、晶體硅（c-Si）以其優(yōu)良的電學(xué)特性、成熟的工藝和低廉的成本成為微電子和光電子行業(yè)的基礎(chǔ)材料。然而，受制于自身的間接帶隙且光學(xué)常數(shù)固定不可調(diào)控等局限，c-Si的光學(xué)特性并不出色。金屬摻雜能引入深能級(jí)缺陷、束縛激子等局域化電子結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)Si材料能帶改性的一個(gè)有效手段。非晶硅（a-Si）本身具備禁帶寬度可控、折射率可調(diào)、光吸收系數(shù)大等c-Si所不具備的特殊光電特性，且對(duì)摻入其中的金屬原子的固溶度更高，是實(shí)現(xiàn)金屬摻雜的優(yōu)秀Si基基質(zhì)材料。本

2、文選擇金屬摻雜a-Si薄膜為研究方向，以非晶硅釕（a-Si1-xRux）薄膜和非晶硅銀（a-Si1-xAgx）薄膜為研究對(duì)象，采用多種成膜技術(shù)與材料特性表征手段并結(jié)合仿真設(shè)計(jì)，深入研究了薄膜微觀結(jié)構(gòu)及光電特性的演變規(guī)律及其作用機(jī)理，并對(duì)潛在應(yīng)用進(jìn)行了探索。具體內(nèi)容可概括如下：
　?。?）采用射頻磁控共濺射（RF co-sputtering）成膜技術(shù)，制備 a-Si1-xRux薄膜；使用多種材料表征手段，深入研究了a-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨

3、薄膜中Ru含量變化的演變規(guī)律、Ru原子在薄膜中的存在形式；結(jié)合退火處理，分析并討論了a-Si1-xRux薄膜中a-Si網(wǎng)絡(luò)與納米晶在溫度作用下的結(jié)構(gòu)變化；通過(guò)引入氫氣制備出了氫化非晶硅釕（a-Si1-xRux:H）薄膜，建立了薄膜中硅氫（Si-H）組態(tài)變化與Ru含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，a-Si網(wǎng)絡(luò)短程有序性和中程有序性，隨 Ru含量增加出現(xiàn)了不同程度的下降。Ru原子既可以替位原子存在于 a-Si網(wǎng)絡(luò)中，又會(huì)析出形成硅釕納米晶。高溫使硅

4、釕納米晶發(fā)生相變，并通過(guò)金屬誘導(dǎo)晶化機(jī)制促進(jìn)了 a-Si晶化。在a-Si1-xRux:H中，Ru原子與微孔內(nèi)表面的Si懸掛鍵結(jié)合，使薄膜中H含量下降，剩余的H多以體Si-H單鍵形式存在。
　?。?）在 a-Si1-xRux薄膜微觀結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)薄膜的激活能、電阻率與電阻溫度系數(shù)（TCR）的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；利用光譜橢楄儀建立了薄膜的光學(xué)模型，對(duì)薄膜折射率、消光系數(shù)及色散關(guān)系進(jìn)行了分析，并優(yōu)化了薄膜的光學(xué)帶隙；結(jié)合硅襯底表面

5、微納結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了準(zhǔn)二維無(wú)序材料，以實(shí)現(xiàn)在縮減薄膜厚度條件下的近紅外寬譜高效光吸收。結(jié)果表明，a-Si1-xRux薄膜的激活能與電阻率隨 Ru含量的增加而降低。通過(guò)調(diào)控釕含量，可使非晶硅釕薄膜具有較低的電阻率和較高的TCR。同時(shí)，薄膜折射率和消光系數(shù)隨釕含量增加而升高，近紅外波段吸收系數(shù)高于硅鍺薄膜，且光學(xué)帶隙隨釕含量增加而減小。準(zhǔn)二維無(wú)序材料包含隨機(jī)分布的納米孔陣列，可使光學(xué)模式在薄層平面內(nèi)產(chǎn)生多次散射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬光譜增益。基于這種特殊

6、結(jié)構(gòu)的非晶硅釕薄膜，可在兼顧光吸收的同時(shí)避免載流子無(wú)謂復(fù)合。
　?。?）采用RF co-sputtering成膜技術(shù)，制備a-Si1-xAgx薄膜；針對(duì)Si與Ag為簡(jiǎn)單二元共熔體系的特點(diǎn)，研究了Ag原子對(duì)a-Si網(wǎng)絡(luò)的影響和納米晶粒的特征；研究了不同Ag含量a-Si1-xAgx薄膜的電阻率變化范圍，并與硅銀憶阻器開(kāi)關(guān)比進(jìn)行了比較。通過(guò)橢楄建模，重點(diǎn)研究了薄膜的色散關(guān)系，闡明了薄膜光學(xué)常數(shù)變化機(jī)理，并討論了潛在的應(yīng)用方向；利用Ag在

7、Si中形成的深能級(jí)缺陷，實(shí)現(xiàn)了a-Si1-xAgx薄膜常溫光致發(fā)光。結(jié)果表明，薄膜中的Ag會(huì)使a-Si網(wǎng)絡(luò)無(wú)序化，并以納米晶的形式均勻分布。隨著 Ag含量的增加，薄膜電阻率逐漸減小，其電阻率變化范圍覆蓋了硅銀憶阻器的典型電阻開(kāi)關(guān)比。a-Si1-xAgx薄膜折射率變化由寬光譜范圍內(nèi)的增加與可見(jiàn)光范圍內(nèi)的反常色散疊加形成，消光系數(shù)隨銀含量的增加而增加，并在700nm左右出現(xiàn)吸收峰。同時(shí)，a-Si1-xAgx在可見(jiàn)、近紅外、遠(yuǎn)紅外及太赫茲段的

8、透過(guò)率均隨Ag含量的增加而降低。a-Si1-xAgx在常溫下具有光致發(fā)光特性，隨著薄膜中Ag含量的增加，其發(fā)光強(qiáng)度先升后降，峰位出現(xiàn)紅移。
　　（4）構(gòu)建并制備出“Ag/a-Si/p-Si”憶阻結(jié)構(gòu)，研究了其阻變特性；設(shè)計(jì)出了基于a-Si1-xAgx薄膜憶阻器的新型光開(kāi)關(guān)，并通過(guò)仿真軟件進(jìn)行了功能驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計(jì)出了基于a-Si1-xAgx薄膜憶阻器的光讀取仿生神經(jīng)突觸，并通過(guò)仿真軟件進(jìn)行了功能驗(yàn)證。結(jié)果表明，a-Si1-xA