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

2、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导率与高应变系数的稳定状态的可行性

3、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。仅考虑掺磷氢化纳米硅

4、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

5、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，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

6、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

7、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15~20nm的团簇[4]，但团簇在薄膜中呈有序排列，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

8、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