氢化纳米硅薄膜光电导性质研究
本文主要是利用红外光谱实验研究氢化纳米硅薄膜(nc-Si:H)的光电响应特性，特别是氢化纳米硅薄膜内部特殊的微观结构对光生载流子产生和收集的影响。在传统的单晶硅(c-Si)材料中，光生载流子的产生效率比直接带隙半导体材料小很多。主要是因为单晶硅的间接带隙使得光电子的跃迁过程需要借助声子辅助作用才能满足光电子跃迁前后的动量守恒条件。对于成熟的硅材料而言，其光电子跃迁过程的声子辅助作用，主要是取决于材料内部的微观晶格结构。目前研究已经发现硅材料中的晶格长程有序结构的破缺是提高其光学吸收性能的有效途径之一，从而可以改善硅材料的光电子跃迁几率。我们使用化学腐蚀方法和气相沉积等方法，可以生长出长程有序破缺的硅材料，如多孔硅，非晶硅和多晶硅等形式。这些新型硅半导体材料，如多晶硅薄膜和非晶硅薄膜，可以通过低温条件下硅薄膜材料的技术来生长，它们不仅有效地改善了单晶硅材料的光电子性能，还大大降低了硅光电子器件的成本。
目前，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜被广泛应用于制作薄膜晶体管和太阳能电池等光电子半导体器件。对于这些硅薄膜材料，光学吸收过程的电子跃迁中准动量守恒选择定则的限制已经破坏，因而具有较强的光学吸收和发光等光学性能。然而，为了改善硅薄膜材料的光学性能，我们引入了大量不完整的和无序的晶格结构，这给光生载流子的输运和收集带来很多不利影响，不仅导致光电转化过程中光生载流子收集效率很低，而且还会产生光电导不稳定性和退化现象。
基于上述当前硅光电子器件的现状，我们希望能够在保证硅材料的光生载流子产生效率的前提下，同时提高其光生载流子的输运电导，这样才可以保证光电导的有效提高。为此，我们首先在玻璃衬底上制备出氢化纳米硅薄膜(以下简称为nc-Si:H/glass薄膜)，其中包含有高密度的纳米尺寸的晶粒和带有微小纳米量级空洞的晶界。该样品破坏了单晶硅的长程有序，从而提高光生载流子的效率，另外，其纳米量级的尺寸接近于电子的波长，因而不会严重地影响载流子的电导输运特性。研究表明在nc-Si:H薄膜中光电子跃迁过程明显不同于单晶硅材料中的间接跃迁过程，前者具有较高的光电子跃迁几率和较强的光学吸收。另外，在玻璃衬底上制备的nc-Si:H薄膜中就足以观测到较大的光电导增益，可以接近甚至高于单晶硅材料。该材料中观察到的强光电导响应有望可以应用在红外光探测器及成像器件上。
在光电导实验结果的基础上，我们进一步从理论上扩展了扩散-复合光生载流子模型来描述nc-Si:H薄膜中的光电导现象。我们发现nc-Si:H薄膜中光电子跃迁主要来源于带间跃迁，但又不同于单晶硅材料的间接跃迁。特别是结合晶态比对光电导影响的实验结果，我们更进一步证实了其光生载流子主要来源于晶粒内部的光电跃迁过程。
其次，我们还研究了在单晶硅衬底上制备出的nc-Si:H薄膜异质结(nc-Si:H(n)/c-Si(p))的光电导响应。异质结构的界面区耗尽电场本身就为光生载流子带来便利的收集条件，而且单晶硅衬底的晶格匹配生长条件对nc-Si:H薄膜内部的微观晶粒的形成及其电子态有非常显著的帮助。特别是对于基于单晶硅衬底上生长的氢化纳米硅薄膜(nc-Si:H)，其内部结构更加均匀，而且晶界厚度更加薄(仅仅几个原子层的厚度而已)。该物理结构不仅为载流子输运带来更大的便利，而且不同晶粒之间的电子云也更加容易重叠，导致了微带的形成。在该nc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结中我们不仅观察到较强的光电流信号，而且也从实验上证实了微带的存在。另外，在此基础上，我们详细研究了nc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结中的光电导响应特点及其规律，同时揭示了其中温度对氢化纳米硅薄膜的光电导的影响和外部偏置电压对nc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结的光电导特性。上述研究为硅材料光电子性能的发展开辟了新的方向，同时也为新型nc-Si:H(n)/c-Si(p)异质结光电器件的开发打下了基础。
纳米硅薄;光电响应;响应特性;微观结构;光生载流子;单晶硅
上海交通大学
博士
凝聚态物理
沈文忠
2008
中文
TB383
104
2009-04-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）