非晶矽:人工合成材料-中文百科頻道

簡介

在70年代确實有過制備非晶矽的沸沸揚揚的高潮。事實上，非晶矽光電池已經廣為使用，例如許多太陽能計算器、太陽能手表、園林路燈和汽車太陽能頂罩等就是用非晶矽作為光電池的基本材料的。但是目前市場上最大量使用的太陽能電池（特别是屋頂太陽能電池）仍然是晶體矽光電池而不是非晶矽光電池。

優缺點

可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的産品，不像晶體矽不能自由裁剪，制作成器件時材料磨下好多碎末，浪費很大；它的制作過程是氣相沉積（1976，Spear法）——化氫熱分解，分解時可以根據需要摻雜，如摻入磷化氫或硼化氫，由于是氣相沉積，制作工藝條件容易進行自動化控制；它還可以制成很薄很薄的薄膜，而晶體矽卻至少要達到幾百微米的厚度。

這是由于晶體矽是一種間接能帶半導體，單靠光子并不能把電子激發到導帶中去産生電流，而要靠所謂聲子的幫助，這種所謂的聲子來源于晶格振動，晶體做得太薄，産生的聲子就太少，光電轉化率就太低。

非晶矽的緻命缺點

一是壽命短，在光的不斷照射下會發生所謂Staebler-Wronski效應，光電轉化效率會下降到原來的25%，這本質上正是非晶矽中有太多的以懸鍵為代表的缺陷，緻使結構不穩定；

二是它的光電轉化效率遠比晶體矽低。現今市場上的晶體矽的光電轉化效率為12%，最近面世的晶體矽的光電轉化效率已經提高到18%，在實驗室裡，甚至可以達到29%（對比：綠色植物的葉綠體的光電轉化效率小于1%！），然而非晶矽的光電轉化效率一直沒有超過10%。

基本内容

采用輝光放電氣相沉積法就得含氫的非晶矽薄膜，氫在其中補償懸挂鍊，并進行摻雜和制作pn結。非晶矽在太陽輻射峰附近的光吸收系數比晶體矽大一個數量級。禁帶寬度1.7～1.8eV，而遷移率和少子壽命遠比晶體矽低。現已工業應用，主要用于提煉純矽，制造太陽電池、薄膜晶體管、複印鼓、光電傳感器等。

目前研究得最多，實用價值最大的非晶态半導體主要有兩類：即非晶态矽和硫屬半導體。特别是非晶态矽，在理論上和應用方面的研究都非常活躍。

晶态矽自50年代以來，已研制成功名目繁多、功能各異的各種固态電子器件和靈巧的集成電路。非晶矽（a—Si∶H）是一種新興的半導體薄膜材料，它作為一種新能源材料和電子信息新材料，自70年代問世以來，取得了迅猛發展。非晶矽太陽能電池是目前非晶矽材料應用最廣泛的領域，也是太陽能電池的理想材料，光電轉換效率已達到13%，這種太陽能電池将成為無污染的特殊能源。

1988年全世界各類太陽能電池的總産量35.2兆瓦，其中非晶矽太陽能電池為13.9兆瓦，居首位，占總産量的40%左右。與晶态矽太陽能電池相比，它具有制備工藝相對簡單，原材料消耗少，價格比較便宜等優點。

非晶矽的用途很多，可以制成非晶矽場效應晶體管；用于液晶顯示器件、集成式a—Si倒相器、集成式圖象傳感器、以及雙穩态多諧振蕩器等器件中作為非線性器件；利用非晶矽膜可以制成各種光敏、位敏、力敏、熱敏等傳感器；利用非晶矽膜制做靜電複印感光膜，不僅複印速率會大大提高，而且圖象清晰，使用壽命長；等等。

目前非晶矽的應用正在日新月異地發展着，可以相信，在不久的将來，還會有更多的新器件産生。

非晶矽的制備：由非晶态合金的制備知道，要獲得非晶态，需要有高的冷卻速率，而對冷卻速率的具體要求随材料而定。矽要求有極高的冷卻速率，用液态快速淬火的方法目前還無法得到非晶态。近年來，發展了許多種氣相澱積非晶态矽膜的技術，其中包括真空蒸發、輝光放電、濺射及化學氣相澱積等方法。

一般所用的主要原料是單矽烷（SiH4）、二矽烷（Si2H6）、四氟化矽（SiF4）等，純度要求很高。非晶矽膜的結構和性質與制備工藝的關系非常密切，目前認為以輝光放電法制備的非晶矽膜質量最好，設備也并不複雜。以下簡介輝光放電法。

輝光放電法是利用反應氣體在等離子體中發生分解而在襯底上澱積成薄膜，實際上是在等離子體幫助下進行的化學氣相澱積。等離子體是由高頻電源在真空系統中産生的。根據在真空室内施加電場的方式，可将輝光放電法分為直流電、高頻法、微波法及附加磁場的輝光放電。

在輝光放電裝置中，非晶矽膜的生長過程就是矽烷在等離子體中分解并在襯底上澱積的過程。對這一過程的細節目前了解得還很不充分，但這一過程對于膜的結構和性質有很大影響。

硫屬半導體是S、Se或Te的金屬化合物，或這幾種化合物的混合物。這類材料在性質上屬于半導體材料，但又象玻璃一樣是非晶态。為與一般氧化物玻璃和結晶半導體相區别，故把它們稱為玻璃半導體。又因為它們的主要成份是周期表中的硫屬元素，故又稱為硫屬半導體，或叫硫屬玻璃。

硫屬半導體的品種很多，迄今研究得比較充分的硫屬半導體有As2S3、As2Se3、As2Te3及As2Se3—As2Te3、As2Se3—As2Te3—Te2Se等。硫屬半導體的應用主要是基于它在光、熱、電場等外界條件作用下引起的性能和結構變化。可用于制作太陽能電池、全息記錄材料、光—電記錄材料、複印機感光膜、硫屬玻璃光刻膠等。