非晶硅薄膜

非晶硅(a-Si)是一种以共价无规则的网络原子结构组成的硅材料，即对一个单独的硅原子而言，它与周边的4个硅原子组成共价键，在近邻区域形成有规则的排列:但在更远一点的区域，硅原子则是无规则排列的。

与单晶硅相比，非晶硅具有不同的物理性质。从晶体结构上来看，它具有大量的悬键(Dangling Bond):它的物理性质具有各向同性，是准直接带隙结构，其光吸收系数比晶体硅高约一个数量级。通常，氢化非晶硅薄膜的带隙宽度约为1.7eV,通过不同的合金连续掺杂调控，其带腺宽度可以在1.4-2.0eV范围内变化。

通常，非晶硅是指非晶硅薄膜材料。与晶体硅相比，非晶硅在热力学上处于亚稳状态，具有更高的晶格势能;经过一定的热处理，非晶硅薄膜可以变为纳米硅、微晶硅和多晶硅薄膜。通过改变合金组分和掺杂浓度，非晶硅的电导率、禁带宽度等性质可以连续调整，也可以形成如a-SiGe 和a -SiC合金薄膜等。

非晶硅薄膜具有制备工艺简单、可大面积连续生产的优点，可用于制备场效应薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)、液晶显示器件、太阳电池等器件，其中非晶硅薄膜太阳电池是其重要的应用。与晶体硅太阳电池相比，非晶硅薄膜太阳电池的晶体完整性比较差，其光电转换效率明显偏低，而且具有明显的光致衰减现象:但是，非晶硅薄膜太阳电池也具有一些优点， 如非晶硅可以沉积在柔性的不锈钢、塑料等衬底上，形成柔性的太阳电池，容易与建筑物等集成一体进行设计、施工。

非晶硅薄膜主要是利用PVD、CVD技术制备的。对于利用溅射等物理气相沉积制备的非晶硅薄膜，其薄膜内具有较多的硅悬键，难以通过掺杂剂掺杂形成n型或p型半导体材料。因此，制备非晶硅薄膜主要利用CVD技术，如等离子增强化学气相沉积(PECVD)、 热丝化学气相沉积(Hot Wire CVD, HWCVD)和光化学气相沉积( Photo-CVD)等，其中最常用的技术是PECVD。

利用PECVD制备非晶硅，通常采用H2稀释硅烷(SiH4) 气体或高纯的硅烷气体，通过热分解，在衬底材料上沉积形成非晶硅薄膜，如图9-2所示。也可以利用SiHCl3,等其他气体，通过化学反应，在衬底上生成非晶硅薄膜。

通过CVD制备的非晶硅薄膜具有大量的结构缺陷，主要是硅原子的悬键，其次是硅原子之间的Si- Si弱键。硅原子的悬键在非晶硅薄膜材料的禁带中引入高密度的深能级中心，具有电学活性，直接影响了非晶硅薄膜的电学性能;在热处理过程中，这些硅悬键的密度和结构也会发生变化，使得非晶硅薄膜的电学性能难以控制。

为了解决这个问题，在制备非晶硅薄膜时，掺入一定量的氢原子，从而得到氢化的非晶硅薄膜材料(a-Si:H)。例如，在利用PECVD技术制备的非晶硅薄膜中，一般含有10%~15%的氢原子。但是，高浓度氢原子的引入，会在钝化硅悬键的同时，远远超过硅悬键的密度的氢原子形成了新的氢相关缺陷，引起非晶硅薄膜光电性能的降低，产生光致衰减等现象。