1、第六章第六章 非晶非晶 有機和微結構半導體材料有機和微結構半導體材料李斌斌l6.1 非晶半導體材料l6.2 有機半導體材料l6.3 微結構半導體材料6.1 非晶半導體材料非晶半導體材料l6.1.1 非晶的概念l6.1.2 非晶半導體的基本性質l6.1.3 非晶硅的應用6.1 非晶的概念非晶的概念l與晶態半導體材料相比，非晶態半導體材料的原子在空間排列上失去了長程有序性，但其組成原子也不是完全雜亂無章地分布的。l由于受到化學鍵，特別是共價鍵的束縛，在幾個原子的微小范圍內，可以看到與晶體非常相似的結構特征。l所以，一般將非晶態材料的結構描述為：“長程無序，短程有序”。材料狀態熱力學穩定性原子排列短

2、程有序長程有序平移對稱性晶體穩定是是有非晶體非平衡是不是無液體穩定是不是無氣體穩定不是不是無l用來描述非晶硅的結構模型很多，給出了其中的一種，即連續無規網絡模型的示意圖。l可以看出，在任一原子周圍，仍有四個原子與其鍵合，只是鍵角和鍵長發生了變化，因此在較大范圍內，非晶硅就不存在原子的周期性排列。l在非晶硅材料中，還包含有大量的懸掛鍵、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷態密度，它們提供了電子和空穴復合的場所，所以，一般說，非晶硅是不適于做電子器件的。6.1.2 非晶半導體的基本性質非晶半導體的基本性質l（1）能帶模型l（2）直流電導率l（3）光學性質（1）能帶模型）能帶模型Mott-CFO模型：l短

3、程有序基本能帶l長程無序定域態帶尾l懸掛鍵帶隙中間形成隙態EcEv晶體半導體EcEv非晶半導體EVEv晶體半導體ECEv非晶半導體ND釘扎效應釘扎效應l晶體硅中l施主雜質電離時直接向導帶底釋放一個電子參與導電l非晶硅中l施主雜質電離時，電子首先釋放給隙態中未滿的空能級l隙態能態密度越高，填充隙態所需施主雜質濃度越高l雖然摻入了較高濃度的雜質，也不能有效的移動費米能級對于這種費米能級難以移動的情況，稱為高能度隙態的釘扎效應提高電阻率提高電阻率替位式摻雜降低隙態密度懸空鍵氫補償懸空鍵氫補償懸空鍵l為補償懸空鍵，隙態密度1020 cm3 eVl補償后，隙態密度將為1016 cm3 eV（2）直流電導

4、率）直流電導率l非晶半導體中載流子輸運是一種彌散輸運長程無序l彌散輸運有兩種機制：la 多次陷落機制lb 跳躍機制a 多次陷落機制多次陷落機制l注入的載流子不僅有擴散運動l還會陷落到帶尾定域態中l陷落后，只有被熱激發才能再次參與輸運l因此，載流子在運動過程中往往要經歷多次陷落和再激發，而形成了彌散輸運b 跳躍機制跳躍機制l定域態之間的遂穿跳躍也可能形成載流子輸運l定域態之間的空間距離也是隨機分布的，形成了彌散輸運非晶半導體的總直流電導率非晶半導體的總直流電導率擴展態中的電導帶尾定域態中的電導帶隙定域態中的近程跳躍電導帶隙定域態中的變程跳躍電導總電導（3）光學性質）光學性質l晶體半導體l直接躍遷

5、和間接躍遷l滿足能量守恒和動量守恒l間接躍遷時需要聲子的參與l非晶半導體l電子跨越禁帶時的躍遷沒有直接躍遷和間接躍遷的區別l電子躍遷時不再遵守動量守恒的選擇定則l非晶結構上的無序使非晶半導體中的電子沒有確定的波失a 光吸收與光帶隙光吸收與光帶隙l非晶半導體的光吸收譜一般具有明顯的三段式特征：lA區：近紅外區的低能吸收，吸收系數a隨光子能量的變化趨于平緩lB區：吸收系數a隨著光子能量增加而指數性上升；對應于電子從價帶邊擴展態到導帶尾定域態，以及電子從價帶尾定域態到導帶邊擴展態的躍遷lC區：本征吸收區；電子從價帶到導帶的躍遷；吸收系數a在104cm-1以上lC區，在可見光范圍內，非晶硅的吸收系數大

6、于單晶硅的吸收系數，顯示了非晶硅在光電方面的應用前景b 光電導光電導lS-W效應，又稱為光致退化效應，是Staebler和Wronski在1977年發現的l非晶硅樣品經過一段時間光照后，其光電導和暗電導都顯著下降，將樣品經過熱處理后，樣品又恢復到原來的狀態6.1.3 非晶硅的優點非晶硅的優點l1. 很好的光學性能，很大的光吸收系數l2. 可實現高濃度摻雜，也能制備高質量的pn結和多層結構，易形成異質結l3. 通過組分控制，可在相當寬的范圍內控制光學帶隙l4. 可在較低溫度下，采用化學氣相沉積等方法進行制備薄膜l5. 生產過程相對簡單非晶硅的缺點非晶硅的缺點l1. 缺乏長期穩定性，處于非平衡態，

7、所制備器件存在性能退化，比如S-W效應l2. 載流子遷移率低，不利于制備高頻高速器件；但可用于低功耗產品中最主要應用非晶硅太陽能電池最主要應用非晶硅太陽能電池l1、非晶硅具有較高的光吸收系數。特別是在0.3-0.75m的可見光波段，它的吸收系數比單晶硅要高出一個數量級。l因而它比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1 m厚）就能吸收90%有用的太陽能。l這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。l2、非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內變化，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。l3、制備非晶硅的

8、工藝和設備簡單，淀積溫度低，時間短，適于大批生產。l4、由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題。因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價的玻璃襯底，并且易于實現大面積化。l5、制備非晶硅太陽能電池能耗少，約100千瓦小時，能耗的回收年數比單晶硅電池短得多。非晶太陽能電池的發展非晶太陽能電池的發展l自1974年人們得到可摻雜的非晶硅薄膜后，就意識到它在太陽能電池上的應用前景，開始了對非晶硅太陽能電池的研究工作。l1976年：RCA公司的Carlson報道了他所制備的非晶硅太陽能電池，當時的轉換效率不到1%。l1977年：Carlson將非晶硅太陽能電池的轉換效率提高到5.5%。l1978年：集成型非晶硅太陽能電池在日本問世。l1980年：ECD公司作成了轉換效率達6.3%的