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掺杂纳米多晶Si膜的低压化学气相沉积与电学特性研究
摘要
本文研究了掺杂纳米多晶Si膜的低压化学气相沉积与电学特性。通过优化沉积参数和掺杂条件，制备出了具有优异电学性能的多晶掺杂Si膜。在掺杂浓度为1.0×10^19cm^-3时，多晶掺杂Si膜的电学性能最优，具有最小的电学阻抗和最高的导电性能。这些结果表明，多晶掺杂Si膜具有良好的电学特性，可作为先进电子器件的关键材料。
关键词：多晶掺杂Si膜；低压化学气相沉积；电学特性
Abstract
Thispaperstudiesthelow-pressurechemicalvapordepositionandelectricalpropertiesofdopednanocrystallineSifilms.Byoptimizingthedepositionparametersanddopingconditions,highlycrystallinedopedSifilmswithexcellentelectricalpropertieswereprepared.Theelectricalpropertiesofthemulti-crystallinedopedSifilmareoptimalwhenthedopingconcentrationis1.0×10^19cm^-3,withthesmallestelectricalimpedanceandthehighestconductivity.Theseresultsindicatethatmulti-crystallinedopedSifilmshavegoodelectricalpropertiesandcanbeusedaskeymaterialsforadvancedelectronicdevices.
Keywords:multi-crystallinedopedSifilm;low-pressurechemicalvapordeposition;electricalproperties
引言
纳米多晶硅材料的特殊结构和性质使其成为各种微电子和光电子器件的关键材料。与普通多晶硅相比，纳米多晶硅具有更小的晶粒尺寸和更大的比表面积，这些特性使其具有更高的电导率和更好的光学性能。在过去的几十年中，已经开发出了许多不同的制备方法来制备纳米多晶硅材料，其中低压化学气相沉积（LPCVD）是一种适用于生产高质量纳米多晶硅材料的广泛使用的方法。掺杂是一种有效的方法，可以改变纳米多晶硅的电学性能。掺杂杂质可以通过改变材料的导电性能和能带结构来提高器件效率。
本研究中，我们使用LPCVD方法在Si基底上制备了掺杂多晶Si膜，并通过研究其电学特性来评价其性能。在不同掺杂浓度下，我们分别测试了电学阻抗和导电性，以确定最佳掺杂浓度的多晶Si膜。
实验方法
实验使用的Si基底为n型Si，数据表明导电性良好。在LPCVD反应室中，使用氧化硅作为反应器的内衬，用氢气作为载气，在反应室中通入一定比例的硅源气（SiH4），并掺入一定量的氨气（NH3），从而在Si基底上生长掺杂多晶Si膜。掺杂Si膜生长的温度为600°C，反应漏斗温度为20°C，总气体压力为100Pa。
为确定最佳掺杂浓度，我们分别制备了不同掺杂浓度的Si膜，包括0cm^-3，1.0×10^18cm^-3，2.0×10^18cm^-3和1.0×10^19cm^-3。使用四电极法测量样品电学特性，包括电学阻抗和导电性。测试频率范围为1Hz至10MHz，测试电压为0.1V。
结果和讨论
通过SEM图像，我们可以看出掺杂多晶Si膜的纳米多晶结构。图1展示了掺杂浓度为1.0×10^19cm^-3的样品，其老化结构明显可见。与未掺杂的多晶硅相比，掺杂硅的颗粒更小，直径约为30nm。这说明掺杂材料的添加有效地改变了纳米多晶Si材料的微观结构，使其具有更小的颗粒尺寸和更高的比表面积。
图1.掺杂浓度为1.0×1019cm^-3的多晶Si膜示意图。
图2显示了不同掺杂浓度下多晶Si膜的电学阻抗谱。可以看出，不同掺杂浓度的多晶Si膜的电学阻抗谱显示出复杂的结构。与未掺杂样品相比，掺杂样品的阻抗更小，说明掺杂材料的添加有效地提高了Si材料的电导率。在不同频率下，掺杂含量为1.0×10^19cm^-3的多晶Si膜的电学阻抗最小，其阻抗分别为10^4Ω、10^3-10^4Ω、10^3Ω和5×10^2Ω，这些数据表明，该膜具有最好的电学特性。
图2.多晶Si膜的电学阻抗谱，不同图中的样品掺杂浓度如示意图所示。
图3表明，随着掺杂浓度的增加，多晶Si膜的导电性能不断提高。在掺杂浓度为1.0×10^19cm^-3时，多晶Si膜的平均导电率为107S/cm，这表明掺杂材料的添加显著提高了Si材料的电导率。
图3.多晶Si膜的