氢化非晶硅_a_Si_H_薄膜稳定性的研究进展

　廖乃镘:男,1979年生,博士研究生,从事氢化非晶硅红外敏感薄膜材料研究　Tel :028*********　E 2mail :liaonaiman @ 李伟:通讯联系人,教授,博士生导师　Tel :028*********　E 2mail :wli @

氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜稳定性的研究进展

廖乃镘,李　伟,蒋亚东,匡跃军,李世彬,吴志明

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054)

摘要 氢化非晶硅(a 2Si ∶H )是一种重要的光敏感薄膜材料,其稳定性的好坏是决定能否应用于器件的重要因

素之一。介绍了a 2Si ∶H 薄膜稳定性的研究进展,论述了a 2Si ∶H 薄膜的稳定性与Si 2Si 弱键的关系,分析了光致衰退效应(S 2W 效应)产生的几种机理,提出了在薄膜制备和后处理过程中消除或减少Si 2Si 弱键以提高a 2Si ∶H 薄膜稳定性的方法。

关键词 氢化非晶硅　稳定性　光致衰退效应　物理模型　稳定化处理

R ecent Progresses on the Stability of H ydrogenated Amorphous Silicon Thin Films

L IAO Naiman ,L I Wei ,J IAN G Yadong ,KUAN G Yuejun ,L I Shibin ,WU Zhiming

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices ,U ESTC ,Chengdu 610054)

Abstract The a 2Si ∶H thin film is an important light 2sensitive material that has received significant attention

nowadays because of its unique properties.The stability of this thin film is a key factor which is fatal in the application of commercial devices.This paper summarizes and commends some researches on the stability of a 2Si ∶H thin films based on recent literature ,and discusses the relationship between the weak bonding of Si 2Si and the stability of the films.It introduces the mechanisms of light 2induced degeneration of a 2Si ∶H thin films and also recommends some methods of film fabrication and post 2treatment techniques in order to reduce the weak bonding of Si 2Si in a 2Si ∶H thin films.

K ey w ords

a 2Si ∶H ,stability ,light 2induced degeneration ,physical model ,stabilization treatment

0　前言

氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜具有光吸收率高、电阻温度系数

(TCR )相对较大(1.8～8%/K )[1]、禁带宽度可控、可大面积低

温(<400℃)成膜、基片种类不限、生产工艺较简单、与硅半导体工艺兼容等突出优点,在红外成像、太阳能电池、液晶显示、复印机感光鼓等领域得到快速发展。

众所周知,在无掺杂a 2Si 薄膜中,由四配位Si 原子组成的无规网络具有很高的内应力。为了减小内应力,a 2Si 无规网络中的弱Si 2Si 键有自发断裂倾向,形成三配位的Si 原子和1个悬挂键缺陷。所以,无掺杂的a 2Si 薄膜中的悬挂键密度很高(1018cm -3或更高),电学性能很差,不能满足器件的应用要求。

a 2Si ∶H 中引入的H 原子饱和或部分饱和了a 2Si 薄膜中的悬挂键(DB )缺陷态,使它的DB 密度大大下降(可以降低到(1～5)×1015cm -3),使a 2Si ∶H 薄膜成为一种十分重要的光电材料。然

而,可移动H 的存在也带来了一些不利的影响,如H 原子在a 2

Si ∶H 薄膜中扩散,容易引起弱Si 2Si 键的断裂和H 的聚集,导致悬挂键的移动和悬挂键密度的增加等。事实上,10at %的H (约5×1021cm -3)才能大幅度减少DB 密度,比实际a 2Si ∶H 薄膜中的DB 密度大了1～2个数量级,所以H 在a 2Si ∶H 薄膜中的利用效率是很低的[2]。此外,H 在a 2Si 薄膜中不只是以Si 2H 键方式存在,同时还存在(Si H HSi )n 、分子氢(H 2)及双原子氢化

合物等键合方式,而只有Si 2H 键合方式的H 才对增强红外吸收起重要作用。上述a 2Si ∶H 薄膜中的H 在受到光照后会发生不同的反应,如H 扩散、H 逸出、产生新的复合中心和陷阱中心等,从而改变a 2Si ∶H 中薄膜H 的键合方式、分布状态、含量和悬挂键密度,使a 2Si ∶H 薄膜的光电特性发生变化。

要使a 2Si ∶H 材料在器件上得到广泛应用,就要求它具有低的DB 密度和稳定的光电特性(长时间使用后性能不变)。但是,由于光致衰退效应(即S 2W 效应)的存在,会使基于a 2Si ∶H 薄膜材料的器件性能降低甚至失效,这是a 2Si ∶H 器件化应用的重大障碍之一。本文总结了近年来a 2Si ∶H 薄膜材料稳定性的研究进展,分析了S 2W 效应产生的机理及消除或减小这种效应的方法。

1　S 2W 效应机理及物理模型

a 2Si ∶H 薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内

部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为Steabler 2Wronski 效应[3]。这是制约a 2Si ∶H 薄膜应用的主要原因。只有正确理解S 2W 效应的机理,才能解决好a 2Si ∶H 薄膜的稳定性问题。对S 2W 效应的起因,至今仍有不少争议,造成衰退的微观机制

也尚无定论,成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。总的看法认为,S 2W 效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响a 2Si ∶H 薄膜材料的