气体压强对磷掺杂a-Si∶H薄膜电学性能的影响

　　0　引言

　　非致冷红外探测器由于无需致冷装置,可以提高红外系统的便携性,能大幅度降低成本,在遥测遥感、目标识别与跟踪、夜视、制导、医学与环境监测等领域具有引人瞩目的应用前景,因此成为人们研究的热点之一[1]。在众多红外敏感薄膜材料中,氢化非晶硅(a-Si∶H)薄膜由于具有光吸收率高、电阻温度系数(TCR)相对较大(1.8%~8%/K)、禁带宽度可控、可大面积低温(小于400℃)成膜、基片种类不限、生产工艺简单、与硅半导体工艺兼容等优点,在

　　非致冷红外焦平面器件的研发和应用等方面备受关注[2-3]。

　　射频等离子体增强化学气相沉积法(RF-PECVD)是当前使用最多的制备a-Si:H薄膜的方法,它用13.56 MHz或其他频率的射频电源对硅烷(SiH4)等反应气体进行辉光放电,从而实现在低温衬底上沉积非晶硅薄膜。a-Si∶H薄膜的电学和光学性能强烈地受RF-PECVD沉积工艺参数的影响,如源气体、射频功率、基片温度、气体温度、气体流量和气体压强等,甚至同一工艺在不同的装置上也会出现不同的结果[3]。因而,研究气体压强等对薄膜性能的影响规律及其产生机理,对深入了解a-Si∶H薄膜的制备工艺对薄膜结构和与之相关的电学和光学性能的影响,进而推动该材料在非致冷红外探测领域的应用,具有积极的意义。

　　1　实验方法

　　a-Si∶H薄膜是在自制的等离子增强化学气相沉积(PECVD)装置中制备的,薄膜制备工艺参数如下:反应室本底真空小于4×10-4Pa,基片温度为250℃,气体温度为160℃,射频频率为13. 56MHz,射频功率为20 W。反应气体为PH3与SiH4的混合气体,其中PH3占混合气体体积比的1%,气体流量为40 cm3。基片为1.1 mm厚的K9玻璃,在沉积薄膜前先经过洗涤剂擦拭,再依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗15 min。清洗后的基片用N2吹干后放入反应室,升温至设定温度后保温3 h左右开始沉积薄膜。气体进入反应室后,在辉光放电前被迅速加热。本文所用a-Si∶H薄膜样品的厚度约为300 nm,用德国SENTECH公司SE850型椭偏仪进行薄膜厚度和折射率等测试,其中厚度测试的准确性已被其他研究者所证实[4-5]。

    对a-Si∶H薄膜进行电学性能测试时,采取在样品两端蒸镀铜电极的方法,由Keithley4200半导体测试仪得到电阻值,如图1所示。在进行电阻温度系数(TCR)测试时,将薄膜样品放入ESPEC高低温试验箱(ESL-02KA型),待温度读数稳定后进行测量。电阻率的计算公式为：

　　其中,h为电极长度,L为电极间距,d为薄膜厚度。激光喇曼光谱是一种通过分析光照射样品时的散射光来获得样品中原子振动频率变化的材料微结构研究方法,具有灵敏度高、无破坏性、简单易行等优点。本文利用拉曼光谱研究气体压强对a-Si∶H薄膜非晶网络有序程度的影响,探讨非晶网络有序程度变化与薄膜电学性能之间的相互依赖关系。