使用纳米硅薄膜技术改进现有硅器件的性能

使用PECVD薄膜沉积技术制成的具有新结构特征的纳米硅薄膜(nc-Si∶H)拥有一系列物性.以纳米硅膜为母体研制成异质结二极管,发现它具有一系列优于单晶硅二极管的独特性能.探讨了使用纳米硅薄膜制造的其它硅器件的可能性,如肖特基器件、TFT晶体管等.     

使用纳米硅薄膜技术改进现有硅器件的性能

使用PECVD薄膜沉积技术制成的具有新结构特征的纳米硅薄膜(nc-Si∶H)拥有一系列物性.以纳米硅膜为母体研制成异质结二极管,发现它具有一系列优于单晶硅二极管的独特性能.探讨了使用纳米硅薄膜制造的其它硅器件的可能性,如肖特基器件、TFT晶体管等.     

使用纳米硅薄膜技术改进现有硅器件的性能

使用PECVD薄膜沉积技术制成的具有新结构特征的纳米硅薄膜(nc—Si2H)拥有一系列物性，以纳米硅膜为母体研制成异质结二极管，发现它具有一系列优于单晶硅二极管的独特性能，探讨了使用纳米硅薄膜制造的其它硅器件的可能性，如肖特基器件、TFT晶体管等。     

掺杂nc-Si：H膜的电导特性

采用常规PECVD工艺,以高纯H2稀释的SiH4作为反应气体源,以PH3作为P原子的掺杂剂,在P型(100)单晶硅(c-Si)衬底上,成功地生长了掺P的纳米硅膜(nc-Si(P)：H)膜.通过对膜层结构的Raman谱分析和高分辨率电子显微镜(HREM)观测指出：与本征nc-Si：H膜相比,nc-Si(P)：H膜中的Si微晶粒尺寸更小(～3nm),其排布更有秩序,呈现出类自组织生长的一些特点.膜层电学特性的研究证实,nc-Si(P)：H膜具有比本征nc-Si：H膜约高两个数量级的电导率,其σ值可高达10-1～10-1Ω-1·cm-1.这种高电导率来源于nc-Si(P)：H膜中有效电子浓度ne的增加、Si微晶粒尺寸的减小和电导激活能△E的降低.采用nc-Si(P)：H膜和P型c-Si制备了异质结二极管,其反向击穿电压值可高达75V,而反向漏电流却仅有几个nA,呈现出良好的反向击穿特性.     

纳米硅薄膜结构分析

在常用的PECVD电容式耦合沉积系统中,使用高氢稀释硅烷为反应气氛,在r.f.+DC双重功率源激励下制备出具有纳米相结构的硅薄膜.使用HREM,Raman光散射,X射线衍射以及红外和紫外光谱分析手段广泛地检测了其结构特征.指出,纳米硅(nc-Si:H)薄膜由于具有一系列新的结构特征使它脱颖于熟知的 a-Si:H及 μc-Si:H范畴,从而显示出它自己的独特性能.     

SiC/nc-Si多层薄膜的光致可见发光谱的紧束缚理论

用Vogl提出的sp3s*紧束缚模型来研究碳化硅/纳米硅(SiC/nc-Si)多层薄膜的能带结构与其光致发光谱的关系,并设计出SiC/nc-Si多层薄膜最佳结构为{Si}1{SiC}8,即碳化硅层的厚度是纳米硅层厚度的8倍时的超晶格结构蓝光发射的效率最高.在等离子体增强化学气相沉积系统中,通过控制进入反应室的气体种类逐层沉积含氢非晶SiCx:H(a-SiCx:H)和非晶Si:H(a-Si:H)薄膜,然后经过高温热退火处理,成功制备出了晶化纳米SiC/nc-Si(多晶SiC和纳米Si)多层薄膜.利用截面透射电子显微镜技术分析了a-SiCx:H/nc-Si:H多层薄膜的结构特性,表明制得的超晶格结构稍微偏离设计,它的结构为{Si}1{SiC}5.最后对晶化样品的光致发光谱进行研究,详细分析了各个光致发光峰的物理本质.     

高电导本征纳米硅膜及其缓冲层太阳能电池

通过PECVD法制备了纳米硅薄膜(nc-Si:H),采用Raman散射谱,AFM对样品的结构和形貌进行了测试,并测试了样品的室温电导率。结果表明:制备出的纳米硅薄膜,其电导率达到4.9S·cm-1。另外制备了本征nc-Si:H膜作缓冲层,结构为ITO/n+-nc-Si:H/i-nc-Si:H/p-c-Si/Ag的PIN型太阳能电池,其Voc达到534.7mV,Isc达到49.24mA(3cm2),填充因子FF为0.4228。     

SiC/nc-Si多层薄膜的光致可见发光谱的紧束缚理论

用Vogl提出的sp3s紧束缚模型来研究碳化硅/纳米硅（SiC/nc-Si）多层薄膜的能带结构与其光致发光谱的关系，并设计出SiC/nc-Si多层薄膜最佳结构为{Si}1{SiC}8，即碳化硅层的厚度是纳米硅层厚度的8倍时的超晶格结构蓝光发射的效率最高. 在等离子体增强化学气相沉积系统中,通过控制进入反应室的气体种类逐层沉积含氢非晶SiCx∶H(a-SiCx∶H)和非晶Si∶H (a-Si∶H) 薄膜,然后经过高温热退火处理,成功制备出了晶化纳米SiC/nc-Si(多晶SiC和纳米Si)多层薄膜. 利用截面透射电子显微镜技术分析了a-SiCx∶H/nc-Si∶H多层薄膜的结构特性,表明制得的超晶格结构稍微偏离设计，它的结构为{Si}1{SiC}5. 最后对晶化样品的光致发光谱进行研究，详细分析了各个光致发光峰的物理本质.     

SiC/nc-Si多层薄膜的光致可见发光谱的紧束缚理论

用Vogl提出的sp3s*紧束缚模型来研究碳化硅/纳米硅(SiC/nc-Si)多层薄膜的能带结构与其光致发光谱的关系,并设计出SiC/nc-Si多层薄膜最佳结构为{Si}1{SiC}8,即碳化硅层的厚度是纳米硅层厚度的8倍时的超晶格结构蓝光发射的效率最高.在等离子体增强化学气相沉积系统中,通过控制进入反应室的气体种类逐层沉积含氢非晶SiCx:H(a-SiCx:H)和非晶Si:H(a-Si:H)薄膜,然后经过高温热退火处理,成功制备出了晶化纳米SiC/nc-Si(多晶SiC和纳米Si)多层薄膜.利用截面透射电子显微镜技术分析了a-SiCx:H/nc-Si:H多层薄膜的结构特性,表明制得的超晶格结构稍微偏离设计,它的结构为{Si}1{SiC}5.最后对晶化样品的光致发光谱进行研究,详细分析了各个光致发光峰的物理本质.     

漏极散射机制对弹道和非弹道沟道应变硅二极管中电子输运特性的影响

在漏极区域，多重散射对于沟道区域有无散射的应变硅二极管中电子传输性能的影响进行了数值研究。使用应变和散射模型，对于非弹道（有散射）沟道硅二极管的性能与弹道（无散射）沟道的硅二极管的性能进行了比较研究。研究结果表明应变模型中的电子速度和电流的值比无应变模型的相应值更高，弹道沟道模型中的电子速度和电流的值比非弹道沟道模型中的相应值更高。使用应变和散射模型，漏极区域中的每个散射机制对于硅二极管性能的影响进行了分析。对于弹道沟道模型，结果表明谷间光学声子散射会提高器件的性能，而谷内声学声子散射会降低器件的性能。对于应变模型，结果表明较大应变硅能带分裂可以抑制谷间声子散射率。总而言之，为了提高纳米级弹道器件性能，对于漏极区域应变和散射机制模型的研究是很有必要的。     

Size Control of Nanoscale Silicon Particles Formed in Thermally Annealed A-Si∶H Films and Its Photoluminescence

A method to control the si ze of nanoscale silicon grown in thermally annealed hydrogenated amorphous silico n (a-Si∶H) films is reported. Using the characterizing techniques of micro-Ra man scattering, X-ray diffraction and computer simulation, it is found that the sizes of the formed silicon particles change with the temperature rising rate i n thermally annealing the a-Si∶H films. When the a-Si∶H films have been anne aled with high rising rate( ~100 ℃/s), the sizes of nanoscale silicon particle s are in the range of 1.6~15 nm. On the other hand, if the a-Si∶H films have been annealed with low temperature rising rate(~1 ℃/s), the sizes of nanoscale silicon particles are in the range of 23~46 nm. Based on the theory of crystal nucleation and growth, the effect of temperature rising rate on the sizes of th e formed silicon particles is discussed. Under high power laser irradiation, in situ nanocrystallization and subsequent nc-Si clusters are small enough for vis ible light emission, authors have not detected any visible photoluminescence(PL) from these nc-Si clusters before surface passivation. After electrochemical ox idization in hydrofluoric acid, however, intense red PL has been detected. Cycli c hydrofluoric oxidization and air exposure can cause subsequent blue shift in t he red emission. The importance of surface passivation and quantum confinement i n the visible emissions has been discussed.     

利用等离子增强化学汽相沉积生长初期快速结晶的纳米晶硅

成功地利用传统的等离子增强化学汽相沉积技术制备了纳米晶硅。为了提高生长初期的结晶速度,在PECVD设备和干法刻蚀设备中,利用H2/SF6等离子体对Si Nx薄膜表面进行处理。在制备纳米/微米晶粒结晶硅时常用的氢气稀释条件下,沉积得到了纳米晶硅。利用XRD和TEM观察了氢化纳米晶硅(nc-Si∶H)的微结构,发现实验成功得到了小于10 nm的晶体硅。为了检测结构和电学特性,测试了纳米晶硅薄膜的亮态和暗态电导率。室温下,电导率从非晶硅的10-10S/cm增加到10-5S/cm。     

激光定域晶化技术制备纳米硅的研究

利用相移光栅模板使KrF准分子激光形成强度周期分布的激光束,定域晶化a-Si∶H(4nm)/a-SiNx∶H(10nm)多层膜中的超薄a-Si∶H层,成功地制备出了三维有序分布的nc-Si阵列。原子力显微镜(AFM)、微区喇曼光谱、剖面透射电子显微镜(X-TEM)及高分辨电子显微镜(HREM)技术分析揭示了晶化后薄膜中形成了横向周期与移相光栅周期相同、纵向周期与a-Si∶H/a-SiNx∶H多层膜周期(14nm)相等的nc-Si阵列。     

Stability of Amorphous-Silicon and Nanocrystalline Silicon Thin-Film Transistors Under DC and AC Stress

Bottom-gated n-channel thin-film transistors (TFTs) were fabricated using hydrogenated amorphous-silicon (a-Si:H)/ nanocrystalline silicon (nc-Si:H) bilayers as channel materials, which are deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition at low temperatures. The stability of these devices is investigated under static and dynamic bias stress conditions. For comparison, the stability of a-Si:H and nc-Si:H single-layer TFTs is investigated under similar bias stress conditions. The overall results demonstrate that the a-Si:H/nc-Si:H bilayer TFTs are superior compared with their counterparts of a-Si:H and nc-Si:H TFTs regarding device performance and stability.     

激光干涉结晶法制备三维有序分布的nc-Si阵列

利用准分子激光干涉结晶法使a Si∶H/a SiNx∶H多层膜中的超薄a Si∶H层定域晶化 ,成功地制备出三维有序分布的nc Si阵列。原子力显微镜 (AFM )、微区拉曼 (micro Raman)光谱及剖面透射电子显微镜 (X TEM)的分析结果揭示在晶化薄膜中已形成平均尺寸约为 3 6nm ,横向周期 2 μm ,纵向周期与a Si∶H/a SiNx∶H多层膜周期 (14nm)相等的nc Si阵列。     

Nanocrystalline Si:H films made by inductively coupled plasma using internal low inductance antenna

P-type hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) thin films are prepared on glass substrate by an inductively coupled plasma chemical vapor deposition system using multiple internal low inductance antenna units. The deposition rate as well as the microstructural and electrical properties of the nc-Si:H films are investigated systematically as functions of hydrogen dilution, discharge power and working distance. The effects of various process parameters are identified and rationalized. The applicability of this type of high density plasma to manufacture nc-Si:H films is critically assessed.     

Stability of nc-Si:H TFTs With Silicon Nitride Gate Dielectric

We report the fabrication and characterization of bottom-gate and top-gate nanocrystalline silicon (nc-Si:H) thin-film transistors (TFTs) with amorphous-silicon nitride (a-SiN_x:H) as the gate dielectric. The devices were fabricated using standard 13.56-MHz plasma-enhanced chemical vapor deposition at 240 degC. Here, the same 80-nm nc-Si:H channel, 300-nm a-SiN_x:H gate dielectric, and 60-nm n⁺ nc-Si:H ohmic contact layers were used in both TFT structures. We analyzed the effects of gate configuration on TFT performance and, in particular, the electrical stability. The stability tests were carried out at a gate bias stress in the range from 20 to 40 V. The nc-Si:H TFTs demonstrated much better threshold-voltage (V_T ) stability compared with the amorphous-silicon (a-Si:H) counterparts, offering great promise for applications in active-matrix organic light-emitting diode (AMOLED) displays     

对纳米硅薄膜高电导机制的探讨

使用超高真空PECVD薄膜沉积系统制备的纳米桂薄膜（nc－Si：H）具有高电导特性。为了探讨其导电机制，先使用K．Yoshida早期提出的两相无序结构有效电导模型分别对晶粒电导和界面电导进行了理论计算。指出，nc－Si：H股中高电导主要来自于细微晶粒的传导，界面可视之为非导体。另一方面，实验证实nc－Si：H股的电导率随平均品粒尺寸减少而增大，具有明显的小尺寸效应。文中首次提出，nc－Si：H膜的微晶粒具有异质结量子点（HQD）特性，并按此模型对nc－Si：H膜的电导率实验曲线进行了讨论。理论与实验结果符合得很好．又得出，硅薄膜结构在其晶态体积百分比Xc=0．30和0．70处呈现出两个明显的相变点。     

a-Si:H热处理过程中形成的纳米硅粒及其光致发光

报道了氢化非晶硅薄膜在600～620℃温度下快速退火10 s可以形成纳米晶硅,其拉曼散射表明,所形成的纳米晶硅在薄膜中的分布是随机的,其直径在1.6～15 nm内.根据晶体生长理论和计算机模拟,讨论了升温快慢与所形成纳米硅颗粒大小之间的关系,并且在强光照射下观察了纳米晶硅在薄膜中的结晶和生长情况.经退火形成的nc-Si可见光辐射较弱,不能检测到它们的光致发光,但用氢氟酸腐蚀钝化后则可检测到较强的红PL,并且钝化后的nc-Si在空气中暴露一定时间后,其辐射光波长产生了蓝移.就表面钝化和量子限制对可见光辐射的重要性作了讨论.