2.2 绝缘层材料的特点

AMLCD中的绝缘层要与半导体层接触，因此，应用的绝缘层必须具备的特点如下。

（1）绝缘层与半导体层必须能形成良好的界面，而且界面态密度低。

（2）与a-Si：H接触时，绝缘层材料本身必须稳定，并且两者之间不会发生化学反应，绝缘层和半导体层沟道之间不会发生元素扩散。

（3）以电子积累模式工作的a-Si：H TFT，半导体层和绝缘层的能带偏移量必须非常小，以便阻断电子由半导体的导带传输到绝缘层中；理想情况下绝缘层也应阻断空穴的传输。

（4）绝缘层的沉积工艺和刻蚀工艺必须兼容现有的TFT生产制备工艺流程。

2.2.1 氮化硅

氮化硅和氧化硅是a-Si：H TFT器件中常用的两种绝缘层材料。在AMLCD中，氮化硅绝缘层是用等离子增强化学气相沉积方法（PECVD），通常是用氨气（NH ₃ ）和硅烷（SiH ₄ ），再混合H ₂ 和N ₂ 作为稀释气体发生反应而制备的。因此，这种氮化硅不是化学计量比的Si ₃ N ₄ ，而是非晶态的氮化硅，并且含有一定的氢，严格地说应该称为氢化氮化硅，通常写作 SiN _x ：H，或简写为 SiN _x 。在第10 章有氮化硅的相关介绍，这里不再详细介绍。表2.2是典型的器件级SiN _x 的特性参数。

2.2.2 氧化硅

制作芯片的硅工艺中氧化硅是用高温硅氧化工艺而形成的，是化学计量比的SiO ₂ 。而在AMLCD中，与SiN _x 一样，氧化硅也是用PECVD一般用笑气（N ₂ O）和硅烷发生反应而制备，是非晶态的含微量氢的氧化硅（SiO _x ：H），通常简写为SiO _x 。使用SiH ₄ 所沉积的氧化硅中氢含量比较低，因为氢在下述形式的反应中易于同氧形成水汽而消耗掉。

以这种方式反应，氧化硅中的氢和氮都是微量的，氮含量通常很难检测到，氢含量一般小于原子比5%。

研究发现氧化硅沉积期间用氦稀释反应气体可进一步提高沉积薄膜的重复性和均匀性。此外，在约 400℃和一定比列的氮气与氢气混合气体（9：1）或水汽饱和的氮气（称为“湿氮”）气氛中对沉积的氧化硅退火，可以改善薄膜结构的有序性，并提高薄膜的电阻率和电场击穿强度，以及降低薄膜的缺陷态密度。表 2.3 列出了典型的器件级氧化硅薄膜的特性。

2.2.3 绝缘层的导电机理

绝缘层在本质上是起到绝缘的作用，但是由于材料本身的缺陷、掺入的杂质和离子等能引起导电的物质或缺陷态，使绝缘层在高绝缘性应用环境中也表现出微弱导电或漏电的现象。

绝缘层的导电机制比较复杂，通常认为有以下几种机理会引起绝缘层发生导电或漏电：

● 离子导电

● 空间电荷限制电流

● 隧穿和内场发射

● 肖特基发射和Poole-Frenkel效应

● 欧姆导电

1.离子导电

离子导电是指绝缘体材料在施加电场的影响下里面的离子杂质或缺陷的定向漂移。不论什么方法制备的绝缘层薄膜，在薄膜材料内部都存在大量的缺陷，这意味着离子导电是绝缘体导电最显著的一种。水汽也能引起离子导电，这在阳极氧化物和其他含有氢的薄膜中都可以观察到。

非常致密的 SiN _x 的原子结构能很好地抑制离子传导的作用，这也是 SiN _x 广泛应用于AMLCD中的原因之一。而且在塑料衬底上，也因为SiN _x 的这一特性常被用来当作阻挡层防止水汽扩散。另一方面，SiO _x 薄膜由于有相对开放的内部结构，因此更容易发生离子传导，尤其是薄膜中钠离子的传导而发生离子导电。

离子电流流动过程实质是一种漂移过程，所以，电流密度可以表示为

式中， n _i 是自由电子的密度； _i μ 是离子的迁移率； E _e 是施加的外电场强度。迁移率取决于温度，关系式为

式中， μ ₀ 是前因子； E _s 是绝缘体结构中离子在相应位置之间跳跃所需的热激活能。室温中硅氧化物的钠离子的迁移率是约10 ^-10 cm ² /V·s。

2.空间电荷限制电流

空间电荷及其相应的空间电荷效应是半导体中的一个重要基本概念。空间电荷是指存在于半导体内部局部区域的剩余电荷，包含电离的施主、受主杂质中心电荷和载流子（电子和空穴）电荷。当载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷，其极性可能是正极性（n型半导体的空间电荷主要是电离施主中心的正电荷）也可能是负极性（p型半导体的空间电荷主要是电离受主中心的负电荷）。当有外电场作用下，在空间电荷区中的载流子浓度可能超过或者低于其平衡载流子浓度。当注入空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的这些载流子即成为了空间电荷的主要成分，于是整个空间电荷及其产生的电场分布即由载流子来控制，这就是空间电荷效应。

在空间电荷效应起作用的情况下，通过空间电荷区的电流也就以载流子的漂移电流为主，而决定此漂移电流的电场又主要是由载流子电荷所产生的。因此这时的载流子电荷、电场和电流，它们之间是相互制约的，即通过空间电荷区的载流子漂移电流要受到相应空间电荷的限制，称此时的电流为空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current，SCLC）。

绝缘体处于室温或低于室温的环境中，空间电荷限制电流是绝缘体中一种重要的导电机制。因为在室温或更低温度时，绝缘体材料中的自由载流子密度低，在有外电场的作用下材料中容易产生电荷的不平衡。绝缘体中发生空间电荷限制电流效应很大程度取决于材料中存在的局域态，这些局域态可以捕获并存储电荷以平衡自由电荷。

形成的空间电荷限制电流取决于电流仅由电子形成、还是电子和空穴共同作用形成，以及是否涉及陷阱和复合中心。单一的载流子注入形成的电流一定是空间电荷限制电流。在无陷阱的绝缘体中，所有注入载流子都保持自由状态并全部以空间电荷存在，电流的流动类似于真空二极管电流的流动。

在较低外电场时，漂移电流密度可以表达为（莫特-格尼定律）

式中， μ 是迁移率； ε ₀ 和 ε _r 分别是真空介电常数和绝缘体的相对介电常数； V 是施加的外电场电压； τ 是所施加电压的绝缘层的厚度。由于陷阱的存在捕获了大部分的注入载流子，因此使电流下降。外电场进一步增加时，所有的陷阱都被填充满后，漂移电流与电压成正比而急剧上升。

3.隧穿和内场发射

图2.5是正电压施加到金属上的半导体、绝缘体和金属三层结构中的能带结构示意图。图中显示了载流子穿过绝缘层的隧穿和内场发射机理，可以分为四类：齐纳击穿、局域杂质能级的场离化、Fowler-Nordheim隧穿和价带到阳极的隧穿。

（b） 局域杂质能级的场离化、（c） Fowler-Nordheim隧穿和（d） 价带到阳极的隧穿

（1）齐纳击穿。当施加到绝缘体上的电场足够大时将发生齐纳击穿。发生齐纳击穿时，在绝缘体内一定距离处绝缘体的导带底与界面处半导体的价带顶处于相同位置或更低，电子于是可以从半导体的价带隧穿进入绝缘体的导带，进而传输到金属中。

（2）局域杂质能级的场离化。在非晶绝缘体的原子网络中存在杂质和未钝化的悬挂键，导致在绝缘体的禁带带隙中形成局域化的电子态。在外电场的作用下，填充于该局域态的电子可以离开杂质或缺陷，隧穿到绝缘体的导带能级附近，最终电子将从绝缘体的导带传输到金属中。

（3）Fowler-Nordheim隧穿。当TFT处于电子积累时，绝缘体与半导体的界面处，半导体导带处于高电子填充状态。这些电子可以隧穿到绝缘体中的某区域，且该区域导带足够低时，电子将由此区域传输到金属中。

（4）价带到阳极的隧穿。类似于Fowler-Nordheim隧穿的过程，绝缘体价带中的电子可以直接隧穿进入费米能级以下的金属阳极能态。

这些隧穿和内场发射的过程本质上都包含了电子越过势垒高度 _b φ 的隧穿，即它们的电流密度可以表达为

式中， E _e 是施加的外电场； B 是常数。

4.肖特基发射和Poole-Frenkel效应

在外电场作用下，跨过薄绝缘层形成的高电场，将使处于负电势的金属与其接触的绝缘体导带之间发生电子的肖特基发射。这种机理主要是外加电场降低了势垒的高度，以及越过金属-绝缘体界面势垒的电子具有热激活能。因此，发射的电流密度与温度（ T ）和界面势垒高度 _b φ 有密切关系：

式中， γ 、 A 和 B 分别是绝缘体的常数。

Poole-Frenkel效应同样是基于外加电场降低势垒高度，但是其势垒对应于捕获的电子跃迁到绝缘体导带的热激发过程，电流密度可以表达为

5.欧姆导电

除了第一种情况下的离子导电外，第二至第四种情况的导电机理都趋向于具有低缺陷态密度的高品质绝缘体在高电场下的导电情况。但是，处于低电场下的绝缘体，也可能存在欧姆导电。

虽然绝缘体的带隙很宽，但是即使在室温下，绝缘体中少量的电子也可能由价带热激发到导带上，产生自由电子和空穴。这些载流子在电场作用下将移动。如果绝缘体是非晶的（TFT 中的绝缘体正好是非晶的），那么载流子传输过程将通过带尾的跃迁机理或者频繁的散射扩展传导机理进行导电。电流密度基本上取决于自由载流子的数量，并近似遵从玻尔兹曼分布：

式中， E _e 是施加的电场； E _A 是传导的激活能。