| 单词 | 非晶态半导体 |
| 释义 | 【非晶态半导体】 拼译：amorphous semiconductors 凝聚态物理和固体电子学中最活跃的领域之一。与晶态半导体相比，非晶态半导体的原子排列不具备长程有序，但保留与相应的晶态半导体相近的短程有序性。非晶态半导体包括的范围很广，但主要的是两类：一类是以非晶硅、非晶锗等为代表的四面体键非晶态半导体；另一类是以硫、硒、碲中的一种或两种以上为主要成份的硫系非晶态半导体，如非晶Se，As2Se3等。由于硫系元素中存在孤对电子，所以硫系非晶态半导体也称为孤对非晶态半导体，有时也称为玻璃半导体或硫系玻璃。 非晶半导体的研究始于前苏联柯罗米茨(Kolomiets)小组对硫系玻璃(如As2Te3，As2Se3)以及含Si、Te、As、Ge四元素的合金玻璃(STAG)等的研究。他们发现这些材料虽具有晶态半导体的热激活电导的特性，但是这些材料不能被掺杂。1968年奥弗辛斯基(Ovshinsky)报道了硫系非晶态半导体中的存贮开关效应，并且研制了琉系玻璃开关和存贮器，这一成果引起人们广泛的重视，从而在国际上掀起了研究非晶态半导体的热潮。与此同时，非晶态半导体的理论研究也取得了重要进展。由于非晶态材料是一种无序系统，其电子状态的描述要比晶态材料困难得多，因此非晶态半导体的电子理论一直受到人们的关注。1958年安德森(Anderson)发表了著名的《某些无规点阵中不存在扩散》，他利用阱深无规变化的势阱模型，指出当势阱的起伏超过某一临界值时，能带中的电子态都将变为局域态或定域态(Localized state)，这就是通常所说的安德森局域化(Anderson localization)。为了阐明非晶态半导体的电学和光学性质，大约在1969年，莫特(Mott)和柯恩(Cohen)、弗里希(Fritzsche)以及奥弗辛斯基等人在安德森局域化和晶体能带理论的基础上，提出了非晶态半导体的能带模型，常称为Mott-CFO模型。模型认为，由于能带的存在不依赖于长程有序，在非晶态半导体中也存在一系列能带，并且保留了相应晶态能带的基本情况。考虑到长程无序对能带结构的影响，莫特等人设想非晶态半导体中的无规起伏没有达到安德森局域化的临界值，因而在能带中同时存在着两种电子态即扩展态(extended state)和局域态，并由一个临界能量将它们分开。局域态存在于能带的顶部和底部，形成局域态带尾。电子处在局域态时只能通过与声子交换能量才能从一个局域态跳到另一个局域态进行跳跃式电导，因而当温度T→O时，局域态的电子迁移率为零，而扩展态的迁移率为有限值。这样在临界能量处迁移率会发生由零到有限值的突变，所以柯恩等人又称临界能量为“迁移率边”。模型还认为在非晶态半导体的能隙中存在着由大量的缺陷如悬(挂)键引起的密度很高的局域化的缺陷电子态，通常称为“隙态(gap state)”。隙态密度的大小和分布对非晶态半导体的电学、光学性质有非常重要的影响。Mott-CFO模型能较好地说明非晶态半导体的电学和光学性质，因而尽管对此模型一直存有争论，但实际上它已成为非晶态半导体电子理论的基础。1979年以来，莫特等的理论受到了索尼斯(Thouless)为代表的标度理论的挑战，问题主要集中在对“迁移率边”的看法上，这一基本问题至今仍在讨论之中。在一个较长的时间内，人们未能实现对非晶态半导体的可控掺杂，得到的都是高阻材料，这就大大限制了非晶态半导体的应用。1975年英国斯皮尔(Spear)等人成功地实现了对辉光放电制备的非晶硅的气相掺杂，开辟了非晶硅的广阔的应用前景。1976年美国RCA的卡尔逊(Carlson)制成了第一个非晶硅太阳电池，从而开始了又一次发展非晶态半导体的热潮。由于许多研究工作者纷纷转向非晶硅的研究，因而使得非晶硅的制备工艺、结构、特性和缺陷电子态的研究以及在应用开发等方面都取得了极大的进展。对非晶态半导体缺陷态的研究一直受到广泛的重视。在非晶硅网络中，三配位缺陷或称悬(挂)键(dangling bond)被认为是主要的缺陷。这种悬键可以释放其未成键的电子而成正电中心，呈施主态；也可能接受第2个电子成为负电中心，呈受主态。由于两个电子之间存在库仑相互作用，受主态能级将高于施主态能级，亦即相关能为正。当然实际上缺陷态不是两个能级，而是在能隙中具有按能量的连续分布。实验发现氢(或氟)能有效降低非晶硅的隙态密度，其机理可能是氢通过形成Si-H键而饱和了硅的悬键。奥弗辛斯基和斯皮尔等指出通过采用氢饱和悬挂键，可将隙态密度从1%降低到10－5。事实上真正显示出优良电子特性而得到实际应用的是所谓氢化非晶硅a-Si∶H，它一般都含有5%以上的氢并具有较低的隙态密度。关于非晶硅中缺陷态的性质，以前一直认为只是以悬键形式出现的低配位缺陷，但是近年来潘特列茨(Pantelides)通过和单晶硅中的缺陷相类比，提出非晶硅中存在有五配位缺陷即硅浮键(Floating bond)，并得到一些实验数据。为了解释硫系材料有高的隙态密度但却观察不到自旋顺磁性和电子自旋共振信号的反常现象，莫特、戴维斯(Davis)和斯特列特(Street)利用安德森1975年提出的负相关能的设想来分析硫系材料中的缺陷态，提出了MDS模型。模型认为由于在硫系材料中存在孤对电子，容易产生晶格畸变而表现出负有效相关能，这样其缺陷将以荷电悬挂键为主，即一半缺陷态没有电子带正电，另一半占有两个电子带负电。由于它们都不存在未配对的电子，因而不表现出自旋顺磁性和电子自旋共振信号。后来，凯斯特纳(Kastner)和埃德勒(Adler)、弗里希等人在MDS模型基础上提出了换价对模型，也能很好地解释硫系材料的许多特性。关于非晶态半导体的缺陷态还有一些问题需要继续进行研究。首先是隙态密度的检测，尽管已经发展了包括场效应方法在内的多种检测方法，但都有各自的局限性，而且测量结果彼此差别很大。其次是在辐照、高温淬火后会引起非晶硅中g=2．0055电子自旋共振信号的亚稳缺陷的增加，其机理很可能与热平衡过程有关，对此斯特列特和史密斯(Smith)也提出了一些模型，但仍需继续深入研究。自1983年美国报道制成非晶态半导体超晶格多层结构以来，非晶态半导体的研究又进入了一个新的领域。与晶态超晶格相比，非晶态半导体超晶格在两种材料的界面处不要求晶格常数的匹配和严格的外延生长，所以选择材料的自由度大，而且制备方法也容易一些。已研究的结构有a-Si∶H／a-SiNx∶H，a-Si∶H／a-SiCx以及a-Si∶H调制掺杂的nipi结构等多种超晶格。在这些结构中，已经观察到了类似于晶态半导体超晶格结构中具有的光吸收边和光致发光峰蓝移等量子尺寸效应，以及持续光电导(PPC)和电荷转移掺杂等有趣的特性。值得指出的是这一领域的发展是如此迅速，以至于有关这些材料的电学、光学性质还没有发表之前，商用的非晶态超晶格器件已经进入市场，这些器件主要是用于真空紫外光和短至几埃波长的X射线的聚焦和发散。也有人利用a-Si∶H／a-SiCx∶H超晶格作为非晶硅pin型太阳电池的p型层以改善电池效率。对非晶态半导体超晶格的理论研究无疑是凝聚态物理的重要课题。作为一种新的电子材料，非晶态半导体的应用对其发展起着巨大的推动作用，而人们对非晶态半导体的制备工艺、结构、电学和光学特性(包括直流电导、掺杂特性、场效应、光吸收、光电导以及光致结构变化等等)的深入研究，也为非晶态半导体的应用开发提供了重要的基础。目前非晶态半导体已在太阳电池、静电复印、激光光盘、传感器件以及大面积显示等领域获得实际应用，还有许多方面的应用正在研制开发。最早应用非晶态半导体并形成巨大产业的是静电复印技术，其复印鼓多数采用非晶硒及其合金作感光膜，因其具有高的光电导和低的暗电导。与非晶硒相比，a-Si∶H感光膜具有机械强度高、无毒、耐热性好以及长波长灵敏度高等特点，可以有更高的复印速度和高达一百万次以上的使用寿命，而且如果和半导体激光器及计算机相结合，可望构成激光印刷机和智能复印机。非晶硅太阳电池是目前非晶硅最重要的应用领域。与晶态硅相比，非晶硅在太阳辐射的峰值波长处，光吸收系数要比单晶硅大一个数量级，不到1μm的厚度就足以吸收全部光能。此外，它的制备工艺较简单并能大面积成膜，成本低。非晶硅电池不仅已广泛用作手表、电子玩具，计算器和收录机等低功耗电器的电源，而且已朝大功率的发电系统发展。1986年在美国阿拉巴马州建成了迄今为止世界最大的非晶硅电池电站，功率为75kW，正在美国筹建的a－Si电池电站功率达10MW级。目前面积为100cm2的电池效率达到10．6%，日本富士公司研制的面积为4800cm2的电池效率也已达8．0%。美国原Chronar公司已生产75cm×150cm2的超大面积电池。非晶硅电池的主要发展趋势是继续提高转换效率；增大电池面积和提高非晶硅淀积速率以增大生产规模，降低成本；提高稳定性以及建立大型发电系统等几个方面。这需要在很多方面进行工作，如进一步改善pin各层之间的界面特性，改进非晶硅的成膜工艺和制备电池的其他工艺，减小杂质污染以及采用多结叠层电池结构等等。已经发现影响非晶硅电池稳定性的主要因素是所谓Staebler-Wronski效应，或称光致衰减效应。1977年斯泰伯乐和朗斯基首次发现在a-Si∶H中存在着可逆的光致结构变化，表现为在长期光照下光电导会逐渐减小，去掉光照后，其暗电导也有大幅度的降低，而经过适当退火，又可使其恢复到原始状态。许多研究证明，减薄i层厚度，降低N2、O2等杂质含量，能明显减弱S－W效应的影响。利用硫系非晶态半导体的可逆光致结构相变，可制成用激光写入、读出和擦除的光存贮器——光盘。与通常的磁盘相比，具有高存贮密度(达5×105bit／mm2，高信息输入速率(MB／s)，长存贮寿命(10a以上)以及低信息位价格等优点，在国际上已形成为一个重要的信息产业。利用a-Si∶H具有高的光电导和能制成大面积薄膜等特点，可以制成与文件一般大小的所谓贴紧型线性图象传感器，由于不再需要光路很长的光学系统，将大大促进传真机和信息处理机的小型化进程。日本研制的具有2048个象素(8个象素／mm)的贴紧型线性非晶硅图象传感器，读出速度约为1ms／行，A4文件读出时间为2．4s。非晶硅光、色敏感器件也已在日本得到实际应用。其他的非晶硅敏感器件如位置敏感器件、氢气敏感器件、X射线敏感器件、功率敏感器件等也得到了积极的研制和开发。近年来出现了携带方便的薄型高图象质量的小型电视，或称平面电视，大都采用液晶显示屏。由英国的莱克默伯(LeComber)等人1979年首次研制成功的非晶硅场效应薄膜晶体管(TFT)，因其具有较高的开关电流比、功耗低以及容易制成大面积阵列等优点，非常适合作为平面电视液晶显示屏的寻址开关。日本已批量生产采用这种寻址开关的平面电视，如含有220×240象素的7．62cm黑白平面电视以及有500×666个象素的12．7m平面彩色电视，这种电视机不仅重量轻、功耗低，图象也很清晰。此外，作为液晶显示屏的驱动元件阵列，由于在原理上不存在任何限制因素，利用非晶硅TFT完全有可能研制出高分辨率、更大面积的平面显示装置。非晶硅的其他一些应用，如非晶硅电荷耦合器件、三维集成电路、摄象靶、双极晶体管、光波导以及用作表面钝化膜等也得到了研制开发。非晶态半导体作为一门学科还有一些基本理论问题需要解决；作为一种新型电子材料，在其制备工艺、掺杂机理、特性研究、器件物理和应用开发等方面也需要进行更深入的研究和探索。【参考文献】：1 Anderson P W．Phys．Rev．，1975，109∶14922 Mott N F，Davis E A．Electronic Processes in Non-Crystalline Materials，19793 Mott N F．Contemp．Phys．，1985，26(3)：2034 Mott N F，Kaveh M．Adv．Phys．，1985，34，(3)∶3295 Adler D．J．Phys．，Paris，1981，4(3)6 Fritzsche H．Physics Today，1984，10(34)7 Pankove J I，et al．Semiconductoors and Semimetal，1984，218 Hamakawa Y，et al．Tcchnologies and Devices，19849 孙光临，物理，1989，18(9)∶53610 彭少麒，李泽峰，物理，1990，19(2)∶70(合肥工业大学毛友德教授撰) |
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