アモルファスシリコン
アモルファスシリコンは、長距離秩序を持たない非晶質状態のシリコンであり、a-Siとも表記する。結晶シリコンに比べて低温・大面積で成膜でき、薄膜トランジスタや薄膜太陽電池などのフラットパネル系デバイスに適する。製造は主にプラズマ強化化学気相成長（PECVD）やスパッタで行われ、基板としてはガラス、ポリイミドなどの樹脂、金属箔が用いられる。欠陥の多さが電気特性を制約するが、水素を取り込んだa-Si:Hによってダングリングボンドを終端し、実用レベルのキャリア輸送と光吸収を実現している。
定義と位置づけ
アモルファスシリコンは、原子配列が短距離秩序のみを保ち、長距離規則性を欠くシリコン薄膜である。結晶格子由来の明確なバンドエッジは拡がり、尾状態（Urbach tail）や局在準位が導入される。これにより移動度は低下する一方、光学的には高い吸収係数を示し、可視領域での薄膜光吸収に有利である。
生成方法（CVDとスパッタ）
- PECVD：SiH₄（シラン）などを低温（150–300℃程度）で分解し成膜する。低ダメージで均一性に優れ、大面積基板に適用しやすい。
- スパッタ：Siターゲットをプラズマで叩き出し堆積する。基板温度をさらに下げやすく、樹脂基板との相性がよいが、欠陥制御や水素導入の自由度はPECVDに劣る。
構造と物性
アモルファスシリコンは平均四面体配位を保ちつつ結合角が分布する。密度は結晶よりやや低く、ラマンスペクトルは広いピークを示す。局在状態の存在によりフェルミ準位のピン止めが起きやすく、ドーピング効率は低い。熱処理により緩和が進むが、過度の加熱は結晶化を誘起する。
電気的特性とバンド構造
実効バンドギャップはおよそ1.7–1.8 eVで、結晶Si（約1.12 eV）より広い。移動度は電子で~1 cm²/Vs以下、正孔でそれ以下と小さいが、TFT用途ではチャネル長・誘電体設計で補える。欠陥密度を10¹⁵–10¹⁷ cm⁻³程度に抑えることが重要で、a-Si:HではSi-H終端により中性ダングリングボンドを低減する。
光学特性と太陽電池適性
アモルファスシリコンは可視域で高吸収を示し、数百nm厚で十分な光電変換が可能である。広いギャップにより開放電圧の確保に有利で、ピン構造（p-i-n）のi層としてa-Si:Hを用いる設計が一般的である。多接合化（a-Si/μc-Siなど）でスペクトル利用を最適化できる。
薄膜トランジスタ（TFT）への応用
液晶ディスプレイやセンサアレイで広く実装されてきた。ゲート絶縁膜（SiNₓやSiO₂）との界面品質が閾値電圧・サブスレッショルド特性を支配する。低温プロセスにより大面積ガラスやフレキシブル基板上で一括製造でき、製造コストと歩留まりの面で強みを持つ。
a-Si:Hと欠陥制御
水素化によってSi-H、Si-H₂結合が形成され、ダングリングボンドがパッシブ化される。これによりキャリアライフタイムと光電流が向上する。一方、過剰な水素は不安定な結合を増やし、光照射での欠陥生成（Staebler–Wronski効果）を助長するため、成膜条件と水素量の最適化が鍵である。
結晶化と多結晶Siとの比較
アモルファスシリコンはレーザーアニールや固相結晶化（SPC）で多結晶化でき、移動度を桁違いに高められる。ただし結晶粒界のトラップや表面凹凸が新たな課題となる。a-Siは低温・低コスト・大面積、poly-Siは高移動度・高周波対応という棲み分けが一般的である。
製造プロセスと装置設計
- 前処理：基板洗浄とプラズマ活性化でパーティクルと吸着水を低減。
- 成膜：ガス流量、RFパワー、圧力、基板温度を制御し、膜中水素と欠陥密度を最適化。
- 後処理：水素プラズマや低温アニールで界面・バルク欠陥をさらに低減。
信頼性と劣化メカニズム
長時間の光照射でフォトコンダクティビティが低下するStaebler–Wronski効果が代表的である。欠陥準位の増加、局在状態の変化が原因とされ、熱アニールで部分的に回復する。TFTではバイアスストレスに伴う閾値シフトも重要で、界面欠陥と水素ダイナミクスが影響する。
環境・安全・リサイクル
SiH₄は発火性・毒性を伴うため、ガス供給・排気・検知系の冗長設計が不可欠である。製造時のエネルギー投入は結晶Siより小さい傾向にあり、薄膜で材料使用量も少ない。廃棄段階ではガラスや金属箔との分離・回収プロセス設計がライフサイクル評価を左右する。
補足：用語と表記
アモルファスシリコンは英語でamorphous silicon、略記はa-Si、水素化膜はa-Si:Hと書く。非晶質シリコンと同義であるが、デバイス文献ではa-Si:Hの特性が事実上の標準として扱われることが多い。