Abstract
此論文的目的是在製作非結晶矽並且研究它的光學及電學性質, 這些性質, 是瞭解非結晶半導體的電子結構的最直接而有效的工具。非結晶材料不同於晶體, 最顯著之處, 乃是電子能帶結構的改變, 這些改變, 直接反應於光譜上, 因此我們利用反射光譜及其波長調制的方法, 首先研究單晶半導體的光與能帶結構的關係, 然後用離子佈植的方法, 在晶體矽的表面, 產生不同程度的非結晶, 並配合退火的過程, 研究結晶與非結晶的轉換, 在絕對反射與波長調制光譜上的化情形。然後我們用射頻濺鍍的方法, 製造非結晶矽薄膜, 由它的射、吸收光譜, 以及導電性質, 探討非結晶矽的物理現象。從這樣的研究過程, 我們得以清楚的瞭解非結晶矽基本上不同於其結晶態, 是在於長程秩序的消失, 而它所表現的光學及電導性質, 可以用簡單的能帶模型解釋。為便於撰寫與敘述, 本論文分為三章, 它們然各自獨立, 彼此卻有密切的關係。第一章是游離式高真空測量儀, 其測量範圍從10★到10★托爾, 準確而穩定, 免除了原先所使用的商用真空計常發生的不穩與故障, 使本論文的光譜儀和非結晶矽樣品製作,得以順利的完成。第二章是鍺、矽、銦化砷單晶以及離子佈植矽晶片的絕對反射與波長調制光譜, 敘述一個波長調制光譜儀的工作原理, 使用電子系統的回授, 來處理反射光譜的訊號, 以去除背景訊號, 所完成的系統, 可以測量波長3000★到8000★的固體的絕對反射率及其波長微分光譜。然後由理論描述固態體的光學性質, 而以測量鍺、矽及銦化砷單晶所得的光譜, 決定出它們的能帶臨界點的能量與在布里隆區的位置和類型。藉著矽晶體在3.4eV 臨界點的波長調制光譜, 我們得知離子佈植對矽晶片的作用, 以 150 KeV 的磷離子佈植, 濃度達到 3x10★ cm★ 時, 晶體表面完全變成非結晶, 與表層電阻測量的結果一致。非結晶隨著退火而重新結晶, 結晶的過程, 與佈植所形成的非結晶程度, 退火的溫度和時間, 有密切的關係。第三章是射頻濺鍍非結晶矽的光學及電學性質, 首先描述一般非結晶半導體的電子模型, 由其導出的光學及電導理論, 然後說明射頻濺鍍矽薄膜的裝置、方法, 非結晶矽的光學及導電性質的測量方法與結果, 然後與理論模型的比較、分析, 得知非結晶矽的幾個特性, (1) 導電帶與價電帶仍然存在, 它們之間有很多局限態, (2) 非結晶矽的反射光譜大致跟隨晶體矽, 只是細部結構消失, (3) 氫氣的加入, 飽和了一些浮動鍵, 使光學能隙變大,費米能階向能隙中央移動, 折射率變小, 電荷的遷移率變大以及光敏導電變大。此論文的特點是, 所有數據的測量, 都用自製的儀器為原則, 大至光譜儀的機械與電子系統, 射頻濺鍍裝置, 真空蒸鍍及測量系統, 射頻濺鍍裝置, 真空蒸鍍及測量系統以及弱電流測量儀器, 小至一個反射鏡, 鏡架, 完全視實驗的需要, 而設計製造, 能得到滿意的實驗結果, 值得在此一提。