非晶硅薄膜的性能与应用

非晶硅薄膜的性能与应用
摘要：非晶硅薄膜是一种常用的红外波段光学薄膜材料，具有红外吸收系数小，折射率高（3.0～4.0）、热特性好等优点。

本文综述了非晶硅的结构，性能以及应用。

关键词：非晶硅，薄膜，电性能，光电性能
1 前言
非晶硅薄膜是一种常用的红外波段光学薄膜材料，具有红外吸收系数小，折射率高（3.0～4.0）、热特性好等优点[6-7]。

作为太阳能电池的无定形（a-Si）薄膜日益受到关注，同时它们在显示器、传感器方面，也有很大的应用前景。

1.1 非晶硅薄膜的结构
非晶硅中原子的排列可以看作构成一个连续的无规网格，长程无序。

因此有时也把非晶半导体称为无序半导体。

但就一个硅原子讲，它与最邻近或次临近原子的情况基本相同。

因此原子化学性质所决定，所以键长基本一致，键角偏差也不大。

因此非晶硅保持着短程有序。

长程无序而短程有序的结构特点对于非晶半导体的能态、能带及性能都有决定性的影响。

例如，价带顶和导带底各有一个局域态组成的能带尾，禁带中也存在局域化的缺陷带。

薄膜是非晶半导体的主要应用形式，非晶硅薄膜中得到研究和应用的主要是氢化非晶硅（a-Si：H）薄膜，氢化非晶硅比未氢化非晶硅具有好得多的性能非晶半导体的掺杂和p-n结构的创造也是首先在氢化非晶硅中实现的。

这对非晶硅薄膜的应用具有非常重要的意义。

2 非晶硅薄膜的性能
2.1 电学性能
根据非晶半导体理论，同时考虑导带和价带的扩展态、导带和价带尾部的局域态、禁带中费密能级附近的缺陷局域态中电子的贡献，总电导由扩展态电导、带尾局域态电导、费密能级附近的局域态电导，以及低温下的变程跳跃电导组成。

在温度较高时非晶半导体的导电机理主要由扩展态电导决定。

对于用辉光放电法沉积的a-Si：H薄膜，实验测量结果表明，在温度T≈240K时电导率温度关系的
斜率发生变化。

斜率即热激活能的变化是由于导电机理的变化。

温度高于240K 时非晶硅薄膜的电导主要是扩展态电导。

扩展态电导的电导率可用下式表示
)exp(min kT E E F C --=σσ
式中，σmin 是扩展态电导率的最低值，称为最小金属化电导率；E C 是把导带扩
展态和带尾局域态分开的能量；E F 是费密能级。

上式说明了非晶硅的扩展态导电机理与单晶硅的相类似。

但由于非晶硅的结构无序性以及缺陷较多，因此其扩展态的迁移率比单晶硅要低得多，仅为1～10㎝2/（V ·S ）。

2.1.1 非晶硅薄膜的电学性质分析
测试a-Si ：H 薄膜的电阻率、方阻、TCR 电学性能参数是非晶硅薄膜的一个重要性质参数。

TCR 是表示温度每改变1℃时电阻值的相对变化量，四探针是分析a-Si ：H 薄膜电学性质的一种有效途径。

常规直线四探针测试法的示意图如图1所示,将位于同一直线上的四个探针置于一平坦的样品（其尺寸相对于四探针, 可视为无穷大）上, 并施加直流电流于外侧的两个探针上, 然后在中间两个探针上用高精度数字电压表测量电压（V 23）, 检测位置的电阻率ρ（Ω·cm ）为
I V C 23=ρ
式中
1332211)1111(2-++-+-=S S S S S S C π
为四探针的探针系数（cm ），S 1、S 2、S 3分别为1、2、，2、3和3、4探针之间的
距离。

用PECVD 沉积的非晶硅的应力较小, 而且是张应力, 这有利于探测器的后期
设计。

通过测定非晶硅的光学性能[1], 发现非晶硅具有高电阻率、高TCR的特点。

非晶硅的高电阻率在使用直流偏置的条件下不会导致过热, 从而可简化偏置电路；高TCR则代表着电阻对温度变化敏感, 这对于制造红外热成像器件是非常重要的实验结果表明, 当电阻率在一定的范围内时,TCR与电阻率几乎成线性关系。

图1 四探针测试示意图
2.2 光学与光电性能
a-Si-H的吸收吸收光谱曲线符合非晶半导体吸收系数变化的一般规律，其吸收系数曲线也包括三个吸收区，即由电子从价带扩展态到导带扩展态的带间跃迁所决定的高吸收区，主要由电子从价带扩展态到导带尾部局域态或从价带尾部局域态至导带扩展态的跃迁所决定的指数吸收区，以及由带内跃迁（自由载流子吸收）和带尾之间的跃迁所决定的弱吸收区。

我们知道，单晶硅是一种间接带隙半导体，吸收系数较小。

吸收限约在1.1eV即1.1μm处。

而对于非晶硅，由于缺乏长程序，电子态的波矢测不准性达波矢本身的数量级，电子跃迁中不再受准动量守恒的限制。

因此非晶硅中电子带间跃迁的概率就具有与直接带隙半导体相似的特点。

a-Si-H薄膜的折光率与结晶硅的相近。

在膜的氢含量从10%增加至50%时，折射率下降约5%。

这是与氢含量增加引起的光学禁带宽度的变宽是一致的。

a-Si-H薄膜具有较高的光电导电率σph，在光照条件AM1下可达1×10-3S/cm。

除了光照强度外，未掺杂a-Si-H的σph与薄膜沉积条件有密切的关系。

其中影响大的首先是衬底温度。

衬底温度的高低直接影响到氢化非晶硅薄膜的包含量和缺陷密度。

这将直接影响载流子的复合寿命和迁移率，因而影响光电
导。

通常以250℃为好。

a-Si-H薄膜光电导的复杂性不仅是由于其禁带中存在缺陷态，而且由于在光照作用下产生附加载流子时，缺陷态上电子数目也同时发生变化，缺陷态因荷电情况的不同，即带正电、中性或负电而俘获载流子的能力不同，电荷分布的变化甚至引起复合机理的改变。

由于缺陷态上电子的填充情况将会影响光电导的大小，因此光电导随掺杂情况及温度而变化。

2.2.1 掺硼p型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征
目前, 氢化非晶硅薄膜制备技术主要有等离子体增强化学气相沉积( PECVD), 微波电子回旋共振化学气相沉积( MWECR-CVD)以及射频磁控溅射法等。

其中,PECVD 制备技术[9]具有对衬底温度要求低，易于在玻璃衬底上大面积制备的优点，这些制备优点使其在太阳能屋顶，太阳能玻璃幕墙等光伏与建筑结合方面具备很大的应用潜力，被认为是更有发展潜力的沉积方法, 并且已经应用于工业领域。

硅基薄膜太阳电池一般多为PIN 结构，P 层作为太阳能电池的窗口层，是影响电池整体性能的重要因素，其带隙的宽窄、电导率的高低将直接影响电池的短路电流及填充因子。

研究表明[2], 硼掺杂对非晶硅薄膜的光学性能有着极其重要的影响: 随着硼烷掺杂浓度的增加,
(a) 薄膜的透过率曲线的截止边红移。

(b) 薄膜的反射谱干涉峰红移, 且反射峰逐渐变宽。

(c) 掺杂非晶硅薄膜的折射率随着入射光波长的增加而减小, 并且在波长500 nm 处的折射率都达到了4. 3 以上。

(d) 薄膜在500 nm 处吸收系数高达1.5105 cm- 1 , 光学带隙从1.8 eV 变化到1.7eV。

(e) 所有的光学参数表征都表明, 硼烷掺杂浓度不宜过高, 在本实验范围内, 0.4% 掺杂浓度制得的薄膜做窗口材料最宜。

薄膜电学性能这里未做研究和表征, 硼烷掺杂浓度的具体确定还需综合考虑薄膜的电学性能。

3 非晶硅薄膜的应用
目前制备Si 薄膜大部分工艺是辉光放电，光CVD 等技术[3]，尽管这些工艺
都有它们的优点，但是他们共同的缺点是薄膜沉积速率比较低，基板相应都要加比较高的温度，使用的设备和气体成本十分高昂，而且使用的是有毒易爆的气体（SiH4，BH3，PH5），操作不易控制[6-7]。

自从1975 年Spear 等人在非晶硅薄膜中成功实现气相掺杂以来, 非晶硅薄膜迅速在半导体器件领域获得应用. 氢化非晶硅薄膜具有高的光吸收系数, 制备工艺简单并易于大规模生产, 被广泛应用于制作大面积、高效率的薄膜太阳能电池, 大屏幕液晶显示和显像平面电视机等[9-10]。

太阳能光伏发电是太阳能利用的一个主要方面，目前常用的太阳能电池有单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅薄膜电池。

单晶硅、多晶硅电池研发早，具有转化效率高、生产工艺成熟等优点，在欧美一些国家，因为政府的优惠政策，得到了一定的推广。

但是单晶硅、多晶硅电池组件的硅料提纯、制取过程中消耗大量的电能，发电成本远高于其他能源形式。

这些在客观上为非晶硅薄膜电池的发展提供了契机。

3.1 非晶硅玻璃薄膜电池简介
非晶硅（a-Si）太阳电池是在玻璃（glas s）衬底上沉积透明导电膜（TCO），然后依次用等离子体反应沉积p 型、i 型、n 型3 层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝（Al），光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为g l a s s /TCO/pin/Al，最后用EVA、底面玻璃封装，也可以用不锈钢片、塑料等作衬底封装。

非晶硅玻璃薄膜电池发电原理与单晶硅、多晶硅电池相似，当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P 侧，电子漂移到N 侧，形成光生电动势，外电路接通时，产生电流。

3.2 非晶硅玻璃薄膜电池应用
氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜作为一种价格低廉、性能优异的光电子材料已被广泛应用于太阳能电池、薄膜晶体管和大面积平面显示器件；近40年来，人们研究出了多种氢化非晶硅薄膜的制备技术，这些技术除了被广泛采用的射频辉光放电或称射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)之外，还有甚高频等离子体增强
CVD(VHF-PECVD)、微波电子回旋共振CVD(MWECR-CVD)、热丝CVD(HW-CVD)、光CVD 和热扩展等离子体CVD等；在这些技术当中,MWECR-CVD技术, 由于具有高电离度、高活性和离子能量可控等一系列优异特点成为近年来研究的热点[4]。

目前，非晶硅玻璃薄膜电池组件在遮阳、中空光伏组件等方面得到大量的应用[5]。

非晶硅光电活动遮阳系统是安装在建筑立面的一种新型户外高端遮阳产品，是利用非晶硅玻璃薄膜电池组件作为遮阳板的一种具有发电、遮阳功能的新型节能环保产品。

主要由遮阳板、托架、支杆、电动推杆等几部分组成。

遮阳板可以选用单晶硅、多晶硅电池组件或非晶硅玻璃薄膜电池组件，但是单晶硅、多晶硅电池组件中太阳电池之间存在间隙，透光率过高，影响遮阳效果。

使用不透光非晶硅玻璃薄膜电池组件，透光率降到10% 左右，遮阳效果比较好。

另外非晶硅玻璃薄膜电池组件的颜色均匀，线条平直，与建筑整体是协调的。

4 结束语
非晶硅薄膜的应用前景十分广泛。

a-Si:H的良好的光电性能使之首先在制造光电子器件中得到了应用。

研究表明，a-Si:H薄膜可以用于制造光敏电阻器、光敏二极管、摄像靶、图像传感器、辨色器、静电复印股等。

在制造发光器件方面，非晶硅及硅基合金薄膜也有一定的潜力但目前发光效率很低。

a-Si:H薄膜场效应晶体管方面也已取得了不少成就。

但重要的是提高它的稳定性。

但就目前来说，比较成熟的还是制造太阳能电池。

参考文献
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[2]夏冬林, 王慧芳.掺硼p型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征[A].影像科学与光化学.2010,28(4):296-304
[3]杨玉楼，周建伟.直流磁控溅射制备非晶硅薄膜的研究[A].电子设计工程.2010,18(4):105-107
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