低噪声非晶硅锗合金薄膜电学性能研究

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非制冷红外焦平面探测器在军用和民用领域得到了广泛应用,而具有自主知识产权的小尺寸、长寿命和高性能的非制冷红外焦平面探测器,是我国高科技领域的迫切需求。其中,深入探索和研究具有优异电学性能的低噪声红外敏感薄膜,意义重大。氢化硅锗合金薄膜因具有更高的光吸收效率(锗的吸收系数比硅高出1~2个数量级)、更低的电阻率和更佳的电学性能,而在红外成像传感器领域有着良好的应用前景而备受关注。此外,采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)制备氢化硅锗合金薄膜,工艺成熟稳定,与硅半导体工艺的兼容性良好,便于工业应用。  薄膜噪声测试目前仍存在有很多不确定性因素,本文简要阐述了薄膜噪声产生的机理和物理模型,以便确定薄膜噪声的测试方案。为了能够系统地评价薄膜的噪声水平,自行搭建了一个薄膜噪声测试平台,以确保噪声测试结果的可靠性,并建立了统一的评价手段。  利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)系统裂解硅烷和锗烷,并辅助以氩气稀释,制备氢化硅锗(Si1-xGex:H)合金薄膜。借助原子力显微(AFM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FTIR),分析和研究不同氩稀释比例下薄膜样品的结构演变和晶化状况。研究发现,在Si1-xGex:H合金薄膜的晶化生长过程中,氩的引入及其对硅烷和锗烷的稀释发挥了重要的作用。当氩稀释比例(氩气与硅烷/锗烷混合气比例)相对较低约为4时,在非晶网络中开始出现纳米晶粒。随着氩稀释比例的增加,薄膜表面粗糙度、薄膜内纳米晶粒尺寸、晶化体积比和氢含量均有不同程度的增加。同时发现,随着氩稀释比例的提高,薄膜的电导率和电阻温度系数TCR均有微弱的提高。值得关注的是,由于氩稀释在非晶网络中引入了纳米晶化,薄膜的有序度得到提高,极大地改善了薄膜低噪声水平。  为了进一步提高薄膜的电学性能水平,本文还研究了硼掺杂对氢化微晶硅锗薄膜的影响。测试结果表明,当硼掺杂比例为1%时,薄膜在室温下有较高的电导率(≥10-2S/m)和较高的TCR(≥3%/K),薄膜噪声处于较低的水平。
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