掺磷氢化纳米硅薄膜的高电导率和高应变系数稳定性研究

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1、掺磷氢化纳米硅薄膜的高电导率和高应变系数稳定性研究 湖南工业大学 课 程 设 计 资 料 袋 目 录 清 单 湖南工业大学 课程设计任务书 2010 2011 学年第 2 学期 专业班级 课程名称： 材料科学导论 指导教师（签字）： 年 月 日 系（教研室）主任（签字）： 年 月 日 （材料科学导论） 设计说明书 起止日期： 月 至 学 班 学 成生姓名 级 号 绩 王昌龄 应用物理学 07411200111 指导教师(签字) 理学院（部） 2010年 12月 17日 一、设计任务要求 本文主要介绍了本征和掺磷氢化纳米硅薄膜的微观结构、电学和力学性质。由于掺磷氢化纳米硅薄膜的电导率比氢化纳米硅

2、薄膜提高两个数量级，但其应变系数随着掺磷的增加而大大减小，出现了掺磷纳米硅薄膜的高电导性与高灵敏性的矛盾，在实际应用中，好像只能使用其中一个特性，可是，人们总是会想方设法找出其高电导率与高应变系数的稳定状态，得到两种优良性能同时存在的器件设备。 本文从理论上研究掺磷氢化纳米硅薄膜高电导率与高应变系数的稳定性，假定一种掺磷氢化纳米硅薄膜的简单规则结构，由掺磷氢化纳米硅薄膜的h（膜厚）, S（膜面积）, Np?P(Si?H?P)的初值，得出薄膜的电导率?和应变系数K，讨论影响电导率?和应变系数K的掺磷参数，找出合适的掺磷度Cp，确定高电 导率与高应变系数的稳定状态。最后，讨论掺磷氢化纳米硅薄膜高电

3、导率与高应变系数的稳定状态的可行性和有效性。 二、设计框图及说明 掺磷氢化纳米硅薄膜的理想模型是：它由纳米硅微晶粒组成的团簇和非晶界面两相混合而成，其中团簇所占体积百分数为50%；限定薄膜厚度、面积（正方形）分别为1微米、1平方厘米，掺磷度为未知参数；非晶界面受到压力、杂 图2.1 掺磷氢化纳米硅薄膜中微观层面结构 质的影响而形成晶体线缺陷，即刃型位错，晶粒团簇中硅原子呈长距有序排列。掺磷氢化纳米硅薄膜的具体微观结构分两部分。第一部分，根据位错相关理论9，非晶界面的微观结构可认为是晶体（与硅微晶粒有区别）内加入了一层额外的杂质原子平面后形成的线缺陷晶体结构，如下图2.1所示。 仅考虑掺磷氢化纳

4、米硅薄膜的法向分量，即薄膜的厚度方向的变化情况，如图2.2所示。它是基于掺磷氢化纳米硅薄膜的理想模型的一种便于计算的物理模型。 图2.2 掺磷氢化纳米硅薄膜的宏观模型 具体来说，在垂直掺磷氢化纳米硅薄膜的方向上硅原子、氢原子、磷原子交替出现，总体上数量最多的是硅原子，最少的是磷原子，其中，硅硅键为共价键，氢硅键、氢磷键为氢键10。根据氢与磷含量，就可以确定一维定向下掺磷氢化纳米硅薄膜的宏观结构具体排列。根据晶粒团簇的有序排列，一维定向上团簇排列方向一致，即硅硅键在晶粒团簇中和氢硅键、氢磷键在非晶界面中两相交替排列，如图2.3所示。在图2.3中，准硅粒子（Si*）定义为所在原子层中的硅硅键、硅氢

5、键等结合原子团的综合等效原子，是一种物理结构与化学性质接近于硅原子的准粒子，但是它具有不同于硅原子的性质，取决于氢杂质对其的结构的影响。这种准硅粒子也是元素的最小单元，其质量比硅原子大一点，而大小与硅原子基本相同，因此：若将准硅粒子分为原子实与价电子考虑，则可近似认为其与硅原子相同，如图2.3所示。 图2.3 掺磷氢化纳米硅薄膜微观结构 三、各个章节设计 1. 绪论 1.1本征氢化纳米硅薄膜的导电性和压阻效应研究进展 氢化纳米硅薄膜（nc-Si:H）是一种新型低维人工半导体纳米材料，它具有新颖的结构特征与独特的物理性质。至今国内外研究学者已认为：氢化纳米硅薄膜是一种由大量硅细微晶粒（仅几个纳米

6、大小）和包围着这些晶粒的晶间界面所组成的新型纳米电子材料，其中膜层（厚约为几微米）中的晶态成分和界面原子占总体积的比例各约为50%1。考虑到膜层中硅微晶粒的无规则分布特征，大量的晶粒界面理所当然地具有不同的结构键合特征，从而使氢化纳米硅薄膜具备了许多的新颖和独特的物理性质：与现有的半导体材料单晶硅（C-Si）和非晶硅（a-Si:H）相比，氢化纳米硅薄膜呈现出室温高电导率、电导激活能低、压变系数大等许多的优良物理性质。 1.2 磷掺杂氢化纳米硅薄膜的新颖导电性及外力作用研究进展 掺磷氢化纳米硅薄膜与本征氢化纳米硅薄膜相比，微观结构发生了较大的改变，出现了尺寸为1520nm的团簇4，但团簇在薄膜中

7、呈有序排列，并沿纵向柱状生长。随着掺杂浓度的增加，晶粒尺寸、晶态比等逐渐增大。掺磷氢化纳米硅薄膜与本征氢化纳米硅薄膜的各项微观结构与物理性质对比。 2. 各向均匀的磷掺杂氢化纳米硅薄膜理想模型 2.1 磷掺杂氢化纳米硅薄膜理想模型的微观结构 掺磷氢化纳米硅薄膜的理想模型是：它由纳米硅微晶粒组成的团簇和非晶界面两相混合而成，其中团簇所占体积百分数为50%；限定薄膜厚度、面积（正方形）分别为1微米、1平方厘米，掺磷度为未知参数；非晶界面受到压力、杂质的影响而形成晶体线缺陷，即刃型位错，晶粒团簇中硅原子呈长距有序排列。掺磷氢化纳米硅薄膜的具体微观结构分两部分。第一部分，根据位错相关理论9，非晶界面的

8、微观结构可认为是晶体（与硅微晶粒有区别）内加入了一层额外的杂质原子平面后形成的线缺陷晶体结构。考虑到掺磷氢化纳米硅薄膜非晶界面中三种元素，即硅、氢、磷，所占原子总数依次减少，它们之间能键合可能性有：硅硅键、磷磷键、氢硅键、氢磷键四种。根据物理和化学键能大小10知：共价键大于氢键，氢键大于范德瓦耳斯键。因此，硅硅键最多，所形成的晶体属金刚石结构；其次是氢硅键；再次是氢磷键；最后是磷磷键。结合图 2.1知，杂质原子层按可能性由大到小排列为磷磷原子层、氢磷化合物层、氢硅化合物层、硅硅原子层。作为合理假设的结果，掺磷氢化纳米硅薄膜非晶界面中晶体结构是硅硅原子层（主要部分）、氢硅化合物层、氢磷化合物层；

9、其杂质原子层就是磷磷原子层（对高电导率及高应变系数的影响很大）。 第二部分，掺磷氢化纳米硅薄膜中硅微晶粒结合的团簇的微观结构是：硅原子按金刚石结构组成纳米硅晶粒，由非晶界面形成纳米硅晶粒的表面结构，晶粒表面 与晶体内部的组织结构一样，即晶体内的结构也是硅硅原子层。 2.2 简化后的磷掺杂氢化纳米硅薄膜理想模型结构 仅考虑掺磷氢化纳米硅薄膜的法向分量，即薄膜的厚度方向的变化情况，如图2.2所示。它是基于掺磷氢化纳米硅薄膜的理想模型的一种便于计算的物理模型。具体来说，在垂直掺磷氢化纳米硅薄膜的方向上硅原子、氢原子、磷原子交替出现，总体上数量最多的是硅原子，最少的是磷原子，其中，硅硅键为共价键，氢硅

10、键、氢磷键为氢键10。根据氢与磷含量，就可以确定一维定向下掺磷氢化纳米硅薄膜的宏观结构具体排列。根据晶粒团簇的有序排列，一维定向上团簇排列方向一致，即硅硅键在晶粒团簇中和氢硅键、氢磷键在非晶界面中两相交替排列，如图2.3所示。在图2.3中，准硅粒子（Si*）定义为所在原子层中的硅硅键、硅氢键等结合原子团的综合等效原子，是一种物理结构与化学性质接近于硅原子的准粒子，但是它具有不同于硅原子的性质，取决于氢杂质对其的结构的影响。这种准硅粒子也是元素的最小单元，其质量比硅原子大一点，而大小与硅原子基本相同， 3. 磷掺杂氢化纳米硅薄膜的导电性研究 3.1 无外力下的本征氢化纳米硅薄膜电导率的计算及讨论

11、 依据掺磷氢化纳米硅薄膜理想模型，在无外力下加一定向的电压，载流子会做定向移动，形成电流。因为掺杂物质是磷，引起电流的主要载流子是电子12，电子服从费米统计13。准硅粒子与磷较强电负性所形成的氢键会引起原子间距平均上增大，电子在一个原子附近时，将主要受到该原子场的作用，而其它原子场只是次要的影响，可视为微扰作用，故采用紧束缚近似方法14，计算简化掺磷氢化纳米硅薄膜理想模型的能带。建立OX轴坐标系 ，如图3.1所示，假设：任何两原子之间的距离都是固定的，根据固体能带论，它所能解决的物理对象是具有一维周期性的晶格结构，而简化掺磷氢化纳米硅薄膜理想模型还不是具有周期性的晶格，它含有氢、磷两种杂质原子

12、，因而从整体上考虑它不具有晶格的平移对称性，不能用现有的一维固体能带论处理。为此，将掺磷氢化纳米硅薄膜理想模型简化成具有周期性的晶格结构，就能使用固体能带理论处理，所以有必要先阐述相关能带理论。 3.2 无外力作用下的磷掺杂氢化纳米硅薄膜的电导率的计算及讨论 “特殊原子势场”是由“准硅粒子磷”两个单元重复排列组成的“一个”周期性原子场，主要结合键是共价键，而共价键基本上还是静电吸引作用，所以特殊原子场可用库仑力来表示。其中Z是硅、rm为它们平均的电子离原子的距离。由上式知，特殊原子势场具有确定值。考虑硅、磷、氢原子势场，可将特殊原子势场用一维关于硅团和氢原子、磷团的有限深方 势垒来表示，详细见

13、图3.2所示。根据具有周期性的任一函数均可以展开为傅里叶级数. 这种模型能考虑到本征氢化纳米硅薄膜与掺磷氢化纳米硅薄膜的区别，还能够说明掺磷参数对磷掺杂氢化纳米硅薄膜电导性质和应变系数的影响。为进一步简化计算，将特殊原子势场变成一维周期方势场，薄膜中单电子在上述势场中运动。具体情况如下图3.2中所示，假定坐标原点取在某个原子场一端，用波动方程表示 3.3 外力作用下磷掺杂氢化纳米硅薄膜的应变系数的计算及讨论 当材料受到外力作用而又不产生空间移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变。材料宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加

14、内力与外力大小相等地，方向相反，此时定义：单位面积上的内力是应力，其值与外加的应力相等，如面积为材料受力前的初始面积，则应力称为名义应力；若面积为受力后的真实面积，则应力称为真实应力。得到薄膜的应变系数，其中体变模量可视为常数，K仅与第一项有关。在第一项中，分子中的绝对值随着外力F的增大而变大，分母与外力成正比，因此，应变系数将随着外力的增大有可能变大，其物理意义是：掺磷氢化纳米硅薄膜的敏感度非常高，并且随着掺磷的增多，而变得异常敏感。 4. 磷掺杂氢化纳米硅薄膜的导电性和压阻效应的应用 4.1 磷掺杂氢化纳米硅薄膜高电导率在太阳能电池上的应用 太阳电池的窗口材料由掺磷纳米硅层构成，从电流收集

15、方面来看，表面重掺杂层是一死层，其中的光生电子一空穴对会由于复合而消失，不能被电极收集而形成光电流。因此，要想提高短波响应，必须减小死层的厚度，即减小重掺杂n型纳米硅薄膜的厚度。另一方面，过分减小重掺杂层厚度，会导致本征层与表面导体间的隧道效应，通过对所制得样品的分析，我们得到了开与同类非晶硅太阳电池相比，性能有很大提高进一步的工作还在研究之中。 4.2 磷掺杂氢化纳米硅薄膜高应变系数在传感器上的潜能 基于虚拟仪器的应变系数测量系统：由于氯化纳米畦薄膜是薄膜材料，故不能采用传统的体材料应变系数测量方法对其进行测量。本测量系统采用如图4.4所乐的四点弯曲法，首先采用PECVD疗法在l80mm(长

16、)10mm(宽)4mm(厚)的康宁玻璃条的中间位置沉积厚度约为800-900nm的10mm10mm的氧化纳米硅薄膜，为了方便测量电极的引出并减小测量中的接触电阻，采用溅射方法在薄膜的沿玻璃条的长的方向上的两端各溅射一层Al电极以形成欧姆电极。 四、设计结果分析 可以看出：对于氢化纳米硅薄膜的电导率，掺磷越多，电导率越大，而本征氢化纳米硅薄膜的电导率，要远远低于掺磷氢化纳米硅薄膜的电导率。因此，应变系数将随着外力的增大有可能变大，其物理意义是：掺磷氢化纳米硅薄膜的敏感度非常高，并且随着掺磷的增多，而变得异常敏感。 五、设计结果的优缺点 优点：随着掺磷度的增加，纳米硅薄膜的电导激活能下降46倍，而

17、电导率却迅速提高，上升约600倍，优良的电学性能大大超过本征纳米硅薄膜。于晓梅等认为磷掺杂氢化纳米硅薄膜电导率上升两个数量级的原因有以下四点4：一是磷原子的掺入提供了更多的载流子，掺杂浓度越高，热激活的电子越多；二是磷原子在晶粒表面与硅原子成键，减小了缺陷态密度，从而提高了载流子的迁移率：三是量子限制效应，纳米晶粒可以看作量子点，非晶界面看作限制量子点的势垒，单电子在外电场作用下在晶粒间产生遂穿，随着掺杂度增加，势垒高度（激活能）降低，使单电子越过势垒的速度（迁移率）进一步提高；四是掺磷氢化纳米硅薄膜的尺寸为1520nm的团簇，其中团簇在薄膜中呈有序排列，引起载流子的高电导率。 缺点：掺磷氢化

18、纳米硅薄膜排列有序的团簇，会减小薄膜的正压力，因此应变系数（灵敏度）降低5。事实上，掺磷氢化纳米硅薄膜的应力会随着掺磷度增加而减小，其原因是磷原子取代氢原子后的必然结果，氢含量与压力灵敏系数的相互联系，具体来说，氢硅键的高柔性是应变系数变大的主要因素，而磷的增多会减小氢的含量，最终氢硅键减少并引起应变系数的降低 六、设计实验等所需要的仪器和设备清单 太阳能电池的结构采用了纳米硅/晶体硅异质结结构，其中纳米硅薄膜采用了n/i双层带状渐变带隙的薄膜构成。太阳电池的窗口材料由掺磷纳米硅层构成，从电流收集方面来看，表面重掺杂层是一死层，其中的光生电子一空穴对会由于复合而消失，不能被电极收集而形成光电流

19、。因此，要想提高短波响应，必须减小死层的厚度，即减小重掺杂n型纳米硅薄膜的厚度。 压阻式微型压力传感器是利用硅的压阻效应工作的。弹性膜片感应外界压力, 并转变成特定位置上的应变和应力变化。在弹性膜片适当位置上通过掺杂形成的半导体电阻可以将应力变化转换为电阻变化,而4只压力敏感电阻器构成惠斯登电桥,在恒流源或恒压源的激励下,桥臂输出相应的变化电压,通过对电压的测量,进而测出被测压力的大小。因此,通过对纵横应力差分析,能达到对传感器感压能力的研究。 七、参考文献 1刘宏，何宇亮，王岳云，殷晨钟.纳米硅薄膜的新颖性能及其应用前景.高科技与产业化，2010，（10）. 2李刚.PECVD法制备纳米硅薄

20、膜及其研究D.黑龙江：黑龙江大学，2007. 3彭英才,何宇亮.纳米硅薄膜研究的最新进展J. 稀有金属,1999,1. 4于晓梅，王金良，江兴流，王天民.掺磷纳米硅薄膜的微结构J.北京航空航天大学学报，2002，28（5）. 5韦文生，王天民，张春熹，李国华，韩和相，丁琨.nc-Si:H薄膜的内应力特性研究.功能材料与器件学报，2003，9（3）. 6曾谨言.量子力学M.北京：科学出版社，2007. 7薛增泉，刘惟敏.纳米电子学M.北京：电子工业出版社，2004：3556. 8陈晨，何宇亮，祁祥麟.掺磷纳米硅薄膜电导及压阻效应的研究.北京航空航天大学学报，2000，26（4）. 9陈敬中.现代

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