氫化納米硅薄膜光電導(dǎo)性質(zhì)研究.pdf

1、本文主要是利用紅外光譜實(shí)驗(yàn)研究氫化納米硅薄膜(nc-Si:H)的光電響應(yīng)特性，特別是氫化納米硅薄膜內(nèi)部特殊的微觀結(jié)構(gòu)對光生載流子產(chǎn)生和收集的影響。在傳統(tǒng)的單晶硅(c-Si)材料中，光生載流子的產(chǎn)生效率比直接帶隙半導(dǎo)體材料小很多。主要是因?yàn)閱尉Ч璧拈g接帶隙使得光電子的躍遷過程需要借助聲子輔助作用才能滿足光電子躍遷前后的動量守恒條件。對于成熟的硅材料而言，其光電子躍遷過程的聲子輔助作用，主要是取決于材料內(nèi)部的微觀晶格結(jié)構(gòu)。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)硅

2、材料中的晶格長程有序結(jié)構(gòu)的破缺是提高其光學(xué)吸收性能的有效途徑之一，從而可以改善硅材料的光電子躍遷幾率。我們使用化學(xué)腐蝕方法和氣相沉積等方法，可以生長出長程有序破缺的硅材料，如多孔硅，非晶硅和多晶硅等形式。這些新型硅半導(dǎo)體材料，如多晶硅薄膜和非晶硅薄膜，可以通過低溫條件下硅薄膜材料的技術(shù)來生長，它們不僅有效地改善了單晶硅材料的光電子性能，還大大降低了硅光電子器件的成本。 目前，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜被廣泛應(yīng)用于制作薄膜晶體管和太陽

3、能電池等光電子半導(dǎo)體器件。對于這些硅薄膜材料，光學(xué)吸收過程的電子躍遷中準(zhǔn)動量守恒選擇定則的限制已經(jīng)破壞，因而具有較強(qiáng)的光學(xué)吸收和發(fā)光等光學(xué)性能。然而，為了改善硅薄膜材料的光學(xué)性能，我們引入了大量不完整的和無序的晶格結(jié)構(gòu)，這給光生載流子的輸運(yùn)和收集帶來很多不利影響，不僅導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化過程中光生載流子收集效率很低，而且還會產(chǎn)生光電導(dǎo)不穩(wěn)定性和退化現(xiàn)象。 基于上述當(dāng)前硅光電子器件的現(xiàn)狀，我們希望能夠在保證硅材料的光生載流子產(chǎn)生效率的前提

4、下，同時提高其光生載流子的輸運(yùn)電導(dǎo)，這樣才可以保證光電導(dǎo)的有效提高。為此，我們首先在玻璃襯底上制備出氫化納米硅薄膜(以下簡稱為nc-Si:H/glass薄膜)，其中包含有高密度的納米尺寸的晶粒和帶有微小納米量級空洞的晶界。該樣品破壞了單晶硅的長程有序，從而提高光生載流子的效率，另外，其納米量級的尺寸接近于電子的波長，因而不會嚴(yán)重地影響載流子的電導(dǎo)輸運(yùn)特性。研究表明在nc-Si:H薄膜中光電子躍遷過程明顯不同于單晶硅材料中的間接躍遷過程，

5、前者具有較高的光電子躍遷幾率和較強(qiáng)的光學(xué)吸收。另外，在玻璃襯底上制備的nc-Si:H薄膜中就足以觀測到較大的光電導(dǎo)增益，可以接近甚至高于單晶硅材料。該材料中觀察到的強(qiáng)光電導(dǎo)響應(yīng)有望可以應(yīng)用在紅外光探測器及成像器件上。 在光電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步從理論上擴(kuò)展了擴(kuò)散-復(fù)合光生載流子模型來描述nc-Si:H薄膜中的光電導(dǎo)現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)nc-Si:H薄膜中光電子躍遷主要來源于帶間躍遷，但又不同于單晶硅材料的間接躍遷。特別是結(jié)合

6、晶態(tài)比對光電導(dǎo)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們更進(jìn)一步證實(shí)了其光生載流子主要來源于晶粒內(nèi)部的光電躍遷過程。 其次，我們還研究了在單晶硅襯底上制備出的nc-Si:H薄膜異質(zhì)結(jié)(nc-Si:H(n)/c-Si(p))的光電導(dǎo)響應(yīng)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面區(qū)耗盡電場本身就為光生載流子帶來便利的收集條件，而且單晶硅襯底的晶格匹配生長條件對nc-Si:H薄膜內(nèi)部的微觀晶粒的形成及其電子態(tài)有非常顯著的幫助。特別是對于基于單晶硅襯底上生長的氫化納米硅薄膜(nc-S

7、i:H)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，而且晶界厚度更加薄(僅僅幾個原子層的厚度而已)。該物理結(jié)構(gòu)不僅為載流子輸運(yùn)帶來更大的便利，而且不同晶粒之間的電子云也更加容易重疊，導(dǎo)致了微帶的形成。在該nc-Si:H(n)/c-Si(p)異質(zhì)結(jié)中我們不僅觀察到較強(qiáng)的光電流信號，而且也從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了微帶的存在。另外，在此基礎(chǔ)上，我們詳細(xì)研究了nc-Si:H(n)/c-Si(p)異質(zhì)結(jié)中的光電導(dǎo)響應(yīng)特點(diǎn)及其規(guī)律，同時揭示了其中溫度對氫化納米硅薄膜的光電導(dǎo)的影響