半導(dǎo)體材料(總結(jié))

1(一)、半導(dǎo)體材料特性(5學(xué)時)

1.半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢2.半導(dǎo)體材料的分類3.半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)及應(yīng)用4.實例說明如何運用半導(dǎo)體材料知識開展實驗設(shè)計22.半導(dǎo)體材料的分類

禁帶寬度的不同，又可分為：窄帶隙半導(dǎo)體材料：Si，Ge

寬帶隙半導(dǎo)體材料：GaN，ZnO，SiC，AlN化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的不同，又可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體等使用功能的不同，可分為：電子材料、光電材料、傳感材料、熱電致冷材料等34按功能和應(yīng)用微電子半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體∶∶5按組成無機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)晶體非晶、無定形半導(dǎo)體多晶半導(dǎo)體單晶半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體63.半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)及應(yīng)用(1)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)(2)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(3)半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷(4)半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)(5)半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)7（1）半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)晶體：有規(guī)則對稱的幾何外形；

物理性質(zhì)(力、熱、電、光…)各向異性；有確定的熔點；

微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性排列，形成空間點陣(晶格)。簡單立方晶格

面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al…

體心立方晶格

Li、Na、K、Fe…六角密排晶格

Be，Mg，Zn，Cd…8立方晶體半導(dǎo)體材料：多數(shù)是立方晶體和六角晶體。立方晶體（等軸晶系），三邊等長，相互正交。（a）簡單立方晶系原子在頂角，每個原子為8個晶胞共有，每個晶胞有8個原子在頂點上，晶胞體積就是一個原子占有體積。9（b）體心立方晶體每個晶胞有8個原子在頂點上，一個在體心，晶胞有2個原子。體心立方可看成簡單立方體套構(gòu)而成。體心原子的劃分，屬于每個晶胞110（c）面心立方晶體6個面中心各有1個原子，6*1/2=3原子；8個頂角各有1個原子，8*1/8=1個原子。每個面心立方晶胞有4個原子。面心原子的劃分，屬于每個晶胞1/211（2）半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)帶隙大小間接帶隙結(jié)構(gòu)12輕摻雜摻雜濃度為1017cm-3中度摻雜摻雜濃度為1017～1019cm-3重?fù)诫s摻雜濃度大于1019cm-3雜質(zhì)離子100%電離載流子濃度低于摻雜濃度(3)半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷13硅中的雜質(zhì)1.n型摻雜劑：P，As，Sb2.p型摻雜劑：B3.輕元素雜質(zhì)：O，C，N，H4.過渡族金屬雜質(zhì)：Fe，Cu，Ni14（4）電學(xué)性質(zhì)

本征載流子濃度

a.本征半導(dǎo)體在一定溫度下，就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對，從而形成本征載流子濃度。

b.溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。

c.當(dāng)溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。15電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率電阻率16（5）光學(xué)性質(zhì)晶體半導(dǎo)體直接躍遷和間接躍遷滿足能量守恒和動量守恒間接躍遷時需要聲子的參與非晶半導(dǎo)體電子跨越禁帶時的躍遷沒有直接躍遷和間接躍遷的區(qū)別電子躍遷時不再遵守動量守恒的選擇定則非晶結(jié)構(gòu)上的無序使非晶半導(dǎo)體中的電子沒有確定的波失17吸收系數(shù)透射率折射率自發(fā)輻射、受激輻射18(二)、半導(dǎo)體材料

IV族（元素）、III-V族

、II-VI（氧化物）族半導(dǎo)體材料

1.典型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與工藝技術(shù)

2.硅和鍺半導(dǎo)體材料

3.砷化鎵、氮化鎵、磷化銦半導(dǎo)體材料

4.氧化鋅、硫化鎘193.砷化鎵、氮化鎵、磷化銦半導(dǎo)體材料IIIA族和VA族元素組成的IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體。即Al，Ga，In和N,P，As，Sb組成的9種IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體，如AlP，AlAs，Alsb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb,GaN,InN等。需要掌握GaAs，GaN,InP，GaSb，InN20（1）砷化鎵性質(zhì)

能帶結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)21GaAs能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)雙能谷：強(qiáng)電場下電子從高遷移率能谷向低遷移率能谷轉(zhuǎn)移，引起電子漂移速度隨電場的升高而下降的負(fù)微分遷移率效應(yīng)

帶隙為1.42eV22GaAs物理性質(zhì)GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤分子量為144.64原子密度4.42×1022/cm323GaAs化學(xué)性質(zhì)GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶于王水室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解24GaAs電學(xué)性質(zhì)電子遷移率高達(dá)8000GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快3~4倍高頻器件，軍事上應(yīng)用25本征載流子濃度26GaAs光學(xué)性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導(dǎo)體激光器等27GaAs的應(yīng)用GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢GaAs是功率放大器的主流技術(shù)光伏器件發(fā)光器件28GaAs在無線通訊方面砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由于其頻率高，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸品質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠(yuǎn)程通訊要求。一般訊息在傳輸時，因為距離增加而使所能接收到的訊號越來越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚”甚至“收不到信號”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點，在于傳輸時的功率損耗比硅晶片小很多，成功克服訊號傳送不佳的障礙。砷化鎵具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號錯誤，特別適用于避免衛(wèi)星通訊時暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題。29砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高30應(yīng)用領(lǐng)域頻率范圍個人通訊服務(wù)900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有線電視50～1000MHzGPS1.6GHz衛(wèi)星電視11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型衛(wèi)星地面站）6、14、28GHz衛(wèi)星移動電話1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）寬頻衛(wèi)星服務(wù)28GHz汽車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)76～77GHz電子收費系統(tǒng)5.8GHzGaAs非常適合高頻無線通訊31GaAs是功率放大器的主流技術(shù)砷化鎵具備許多優(yōu)異特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基頻部分以處理數(shù)字信號為主，內(nèi)部組件多為主動組件、線路分布密集，故以細(xì)微化和高集成度純硅CMOS制程為主。手機(jī)中重要關(guān)鍵零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由于對放大功率的嚴(yán)格要求，因此使用GaAs制造將是最佳方式。GaAs在無線通訊射頻前端應(yīng)用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度使用范圍高以及能源利用率高等優(yōu)點，因此在未來幾年內(nèi)仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術(shù)。32GaAs還有更多的應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信具有高速、大容量、信息多的特點，是構(gòu)筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，其收發(fā)系統(tǒng)均需要采用GaAs超高速專用電路。隨著光電子產(chǎn)業(yè)和自動化的發(fā)展，用作顯示器件LED、測距、玩具、條形碼識別等應(yīng)用的高亮度發(fā)光管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大市場需求，還有GaAs基高效太陽能電池的用量也十分大，對低阻低位錯GaAs產(chǎn)業(yè)的需求十分巨大而迫切。我國數(shù)十億只LED管芯，所有的可見光激光器、高亮度發(fā)光管、近紅外激光器等幾乎都依靠進(jìn)口，因此生產(chǎn)高質(zhì)量的低阻GaAs單晶，促進(jìn)LED管芯、可見光激光器、高亮度發(fā)光管和高效率高效太陽能電池的商品化生產(chǎn)，將有力地發(fā)展我國民族的光電子產(chǎn)業(yè)。33三結(jié)GaAs太陽能電池對太陽光譜的利用率

34疊層化合物太陽能電池原理太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進(jìn)去讓較窄禁帶寬度材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結(jié)構(gòu)的電池就是疊層太陽能電池。35GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。是很優(yōu)越的微波材料（2）GaN36室溫下GaN禁帶寬度為3.4Ev在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)其硬度高，又是一種良好的涂層保護(hù)材料37氮化鎵與其它半導(dǎo)體材料的比較特性單位半導(dǎo)體材料硅砷化鎵磷化銦碳化硅氮化鎵能階帶eV1.11.421.352.33.44300K電子遷移Cm2/vs1500850054007001000~2000飽和電壓107cm/s1.01.31.02.01.3臨界崩潰場效MV/cm0.30.40.53.03.0熱傳導(dǎo)V/cm*k1.50.50.74.5>1.5介電常數(shù)ε11.812.812.510.09.038GaN材料的特性

高頻特性，可以達(dá)到300GHz（硅為10G，砷化鎵為80G）高溫特性，在300℃正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性（耐沖擊，可靠性高）大功率（對通訊設(shè)備是非?？释模?9GaN的化學(xué)特性

在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿；在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測；GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性；而在N2氣下最為穩(wěn)定。40結(jié)構(gòu)特征立方系閃鋅礦結(jié)構(gòu)和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

41GaN的電學(xué)特性

GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為一般情況下所制備的P型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)摹?2GaN的光學(xué)特性

寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（2.3～6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍，是到目前為止其它任何半導(dǎo)體材料都無法達(dá)到的主要在藍(lán)光和紫光發(fā)射器件上應(yīng)用43GaN的應(yīng)用

實現(xiàn)半導(dǎo)體照明。國內(nèi)外倍加關(guān)注的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀(jì)照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制是實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和基礎(chǔ)。44（3）磷化銦磷化銦(InP)晶體呈銀灰色，質(zhì)地軟脆。磷化銦具有載流子速度高、工作區(qū)長、熱導(dǎo)率大等特點，可以制作低噪聲和大功率器件。磷化銦材料主要用于制作光電器件、光電集成電路和高頻高速電子器件。在光電器件的應(yīng)用方面，主要制作長波長(1.3~1.6μm)激光器、激光二極管、光電集成電路等，用于長距離通信。45

磷化銦的抗輻射性能優(yōu)于砷化鎵，作為空間應(yīng)用太陽能電池的材料更理想，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20％。在高頻高速電子器件應(yīng)用方面，工作在毫米波范圍內(nèi)顯示出它的優(yōu)勢。InP的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(簡稱HBT)fT(特征頻率)已超過160GHz，InP的高電子移動率晶體管(簡稱HEMT)最高fT已達(dá)到320GHz，W波段(波長范圍0.375~0.3cm，頻率范圍80~100GHz)振蕩功率達(dá)到10mW，這些器件可用于毫米波雷達(dá)、衛(wèi)星通信。464.II-VI族半導(dǎo)體材料

IIB族和VIA族IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，即Zn，Cd，Hg與O,S，Se，Te成的多種IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，如ZnO，CdS，CdTe，CdSe等。ZnO，CdS47ZnO的基本性質(zhì)及能帶結(jié)構(gòu)ZnO的缺陷、摻雜、合金及能帶工程ZnO薄膜的制備技術(shù)ZnO半導(dǎo)體器件ZnO的納米結(jié)構(gòu)ZnO的應(yīng)用（1）ZnO48ZnO的基本性質(zhì)ZnO熱力學(xué)穩(wěn)定相為釬鋅礦結(jié)構(gòu)，寬帶隙3.37eV（常溫），缺乏中心對稱性，對可見光透明。纖鋅礦常溫具有較大激子束縛能60meV，本證載流子濃度<106cm-3,電子遷移率200cm2/(V.s),空穴遷移率5~50cm2/(V.s)WurtziteZnO:spontaneouspolarization49ZnO的能帶結(jié)構(gòu)ZnO直接帶隙寬禁帶3.37eV由于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)對稱性較低，ZnO能帶較復(fù)雜。其價帶導(dǎo)帶的能隙有O-2p,Zn-4s態(tài)決定對ZnO能帶的深入研究最早是Thomas，后來Shindo和Lambrecht等人作了進(jìn)一步研究之后，人們對ZnO的能帶結(jié)構(gòu)做了更深入的探索，為ZnO能帶工程打下良好基礎(chǔ)。50ZnO的缺陷錯位與晶界ZnO薄膜中存在原生層錯和擴(kuò)展位錯、ZnO薄膜中退火誘生的層錯及晶界本征點缺陷氧空位、鋅空位（綠光）、氧間隙、鋅間隙、反位缺陷其中.氧空位和鋅間隙之類的“缺氧”環(huán)境對ZnO的P型摻雜是非常不利的。ZnO中的氫雜質(zhì)氫在ZnO中作為施主，對P性摻雜不利51ZnO的摻雜AZO、GZO、IZO最常見，為N型摻雜另外，摻B，摻N、P、As、Sb等V族元素，摻Mo等VI族元素，摻F等VII族元素以及La系元素的N型摻雜均有研究，我們可以從這里得到一些啟發(fā)，摻雜一種或多種元素來提高薄膜性能。對于P型摻雜：摻IA族（Li、Na、K），IB族（Au、Ag、Cu），N、P、As、Sb等V族元素對ZnO中O的替換（摻雜），H輔助摻雜，施主受主共摻雜（Al-N,Ga-N,In-N）,以及雙受主共摻雜。52ZnO的合金及能帶工程能帶工程主要通過合金化來實現(xiàn)，對于ZnO有兩種途徑：ZnO與等價態(tài)的MO(M=Mg,Be,Cd)混溶實現(xiàn)ZnMO。ZnO與鋅硫族化合物ZnX(X=S,Se)混溶實現(xiàn)ZnOX。三元合金一般有兩種晶體結(jié)構(gòu)相同或相似化合物混溶得到，若兩種晶體化合物禁帶類型一致，則可實現(xiàn)禁帶近似線性調(diào)制，若不一致則分段近似?；衔锞w結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)A禁帶寬度eVZnO纖鋅礦a=3.249,c=5.2063.2MgO巖鹽4.227.9CdO巖鹽4.692.7BeO纖鋅礦a=2.698,c=3.3810.6ZnS纖鋅礦a=3.814,c=6.2573.8閃鋅礦4.0463.6ZnSe纖鋅礦a=0.4,c=6.542.67閃鋅礦5.6672.5853ZnO薄膜的制備技術(shù)

關(guān)于成膜技術(shù)，PLD法與磁控濺射法是制得高質(zhì)量的ZnO的較好方法但是設(shè)備復(fù)雜效率低，成本高，MOCVD成膜質(zhì)量較好但成本也較高，噴霧熱分解法、Sol-gel和電化學(xué)沉積法都可以實現(xiàn)低成本大面積成膜但是成膜質(zhì)量一般工藝有待改進(jìn)。54ZnO在我們可能涉及領(lǐng)域（如顯示領(lǐng)域）的應(yīng)用發(fā)光材料寬禁帶量子效應(yīng)透明導(dǎo)電膜電極電極修飾增透膜保護(hù)膜藍(lán)綠、藍(lán)紫、紫外LED白光LED、OLED柔性O(shè)LED等發(fā)光器件TFTLED、OLED等薄膜太陽能電池電致發(fā)光光致發(fā)光陽極陰極增加光吸收增加光出射55ZnO透明導(dǎo)電膜的應(yīng)用電學(xué)方面的應(yīng)用透明電極LCD，ELD，ECD，PHDOPB攝像元件圖像傳感器遮光玻璃輸入畫面用開關(guān)，接觸式面板，觸摸屏防靜電膜儀表窗口電磁波屏蔽面發(fā)熱膜防霧防霜玻璃：汽車，飛機(jī)擋風(fēng)玻璃，相機(jī)，滑雪眼鏡取暖用嵌板散熱器烹調(diào)用加熱器光學(xué)方面的應(yīng)用紅外反射膜選擇投射莫節(jié)能紅外反射器建筑物裝飾玻璃電爐、干燥箱觀察窗太陽光聚熱器56(三)、半導(dǎo)體工藝技術(shù)（8學(xué)時）1.光刻技術(shù)2.真空鍍膜3.晶體制備及液相外延4.磁控濺射5.離子鍍成膜技術(shù)6.分子束外延技術(shù)7.噴霧熱解成膜技術(shù)8.CVD成膜技術(shù)低壓CVD、常壓CVD、離子增強(qiáng)型CVD、MOCVD9.擴(kuò)散及陽極氧化技術(shù)10.刻蝕技術(shù)化學(xué)刻蝕、離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕57（1）磁控濺射58濺射（sputtering）又叫陰極濺射（cathodicsputtering）。濺射鍍膜是一個PVD過程。通過用由稀有氣體在低真空下放電獲得的正離子轟擊置于陰極的固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出，進(jìn)而以一定能量淀積在基片上，形成薄膜。與蒸發(fā)薄膜相比，由于濺射中的靶材料無相變，化合物不易分解，合金不易分餾，因此使用的膜材更為廣泛。在微米/納米技術(shù)中有廣泛的用途。如用于制備金屬膜、合金膜、半導(dǎo)體膜、氧化物、絕緣介質(zhì)膜、化合物半導(dǎo)體膜、碳化物及氮化物，以及超導(dǎo)薄膜等。濺射鍍膜

59射頻濺射鍍膜法在靶陰極上的電位是相對0電位的基片的是一疊加在－4000V負(fù)高壓上作射頻變化的電壓。特點：淀積速率高，質(zhì)量較好，幾乎適于所有材料。磁控濺射鍍膜法在電場的垂直方向加一磁場，電子在正交電磁場的空間里作擺線運動，大大提高離子流的密度，從而提高濺射效率。是一種理想的方法，已獲廣泛應(yīng)用。+-60濺射的基本原理

濺射是轟擊離子與靶粒子之間動量傳遞的結(jié)果.左圖可以證明這一點：（a)濺射出來的粒子角分布取決于入射粒子的方向；（b)從單晶靶濺射出來的粒子顯示擇優(yōu)取向；

(c)濺射率不僅取決于入射粒子的能量，也取決于其質(zhì)量。（d)濺射出來的粒子的平均速率比熱蒸發(fā)粒子的平均速率高的多。61濺射裝置根據(jù)濺射裝置中電極的特點,其種類可以分為：1.直流濺射:靶材是良導(dǎo)體.2.射頻濺射:靶材可以是導(dǎo)體,半導(dǎo)體和絕緣體.3.磁控濺射:通過磁場約束電子的運動以增強(qiáng)電子對工作氣體的電離效率。62濺射閥值濺射閥值是指使靶原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。能量較小的荷電正離子并不能立即陰極材料中轟出原子。而只能使它們在其平衡位置加速振動。只有當(dāng)獲得的能量超過其結(jié)合能，才可能從表面被濺射出來。濺射閾值取決于靶材料對于同一周期的元素，濺射閥值隨原子序數(shù)增加而減小。對絕大多數(shù)金屬來說，該值為10~30eV63濺射率濺射率表示正離子轟擊靶陰極時，平均每個正離子能從陰極靶上打出的原子數(shù)，濺射率又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)。濺射率與入射離子的種類·能量·角度及靶材料的類型晶體結(jié)構(gòu)，表面狀態(tài)有關(guān)(1)靶材料(2)溫度(3)入射離子能量（有最佳值）(5)入射離子種類(6)入射離子角度（60－80度）64濺射鍍膜的特點相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下優(yōu)點：1、對于任何待鍍材料，只要能做成靶材，就可實現(xiàn)濺射；2、濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好；3、濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好；4、濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。濺射存在的缺點是：沉積速率低，基片會受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升。65濺射參數(shù)濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的最小能量值。濺射率：有稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù),表示入射正離子轟擊靶陰極時,平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。濺射粒子的速度和能量：濺射原子所獲得的能量值在1～10eV。

1.原子序數(shù)大的濺射原子逸出時能量較高，而原子序數(shù)小的濺射原子濺射逸出的速度較高。

2.在相同的轟擊能量下，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而線性增加。

3.濺射原子平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增大，擔(dān)當(dāng)入射離子能量達(dá)到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。66（2）離子成膜法（離子鍍成膜技術(shù)）離子鍍膜法是美國Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的，它是在真空條件下，靠直流電場引起放電，陽極兼作蒸發(fā)源，基片放在陰極上，在氣體離子和蒸發(fā)物質(zhì)的轟擊下，將蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物鍍在基電底上。由于使用離子轟擊基片，可以獲得附著性更好，膜的硬度更高，厚更厚的薄膜。1-5kV原子離子67離子與基片表面的相互作用1.離子轟擊導(dǎo)致基片表面雜質(zhì)吸附的脫附和濺射.可以用于基片清洗.2.離子轟擊導(dǎo)致薄膜表層原子的混合,提高薄膜與基片的結(jié)合力.3.離子轟擊導(dǎo)致表面擴(kuò)散的增強(qiáng),提高生長面的均勻性.68蒸發(fā)離子鍍離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。離子鍍集氣體輝光放電、等離子體技術(shù)、真空蒸發(fā)技術(shù)于一身，大大改善了薄膜的性能。優(yōu)點是：1、兼有真空蒸發(fā)鍍膜和濺射的優(yōu)點；2、所鍍薄膜與基片結(jié)合好；3、到達(dá)基片的沉積粒子繞射性好；4、可用于鍍膜的材料廣泛；5、沉積率高；6、鍍膜前對鍍件清洗工序簡單且對環(huán)境無污染。69成膜原理在離子鍍的過程中，存在兩種反的過程其一，淀積作用：淀積速率（m/min）：薄膜密度

g/cm3M：淀積物質(zhì)的摩爾質(zhì)量NA：質(zhì)量阿佛伽德羅常數(shù)其二，剝離作用j：入射離子形成的電流密度（mA/cm2）鍍膜條件：n>nj70（3）分子束外延分子束外延(MolecularBeamEpitaxy)=Epi+taxis外延技術(shù)是在單晶襯底上，在合適的條件下沿襯底原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格結(jié)構(gòu)完整的新的單晶層的制膜方法。外延包括化學(xué)外延方法（CVD），液相外延（LPD）及分子束外延由外延方法獲得的新生長的單晶層叫外延層。若外延層與襯底材料在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上相似，則稱同質(zhì)外延。若兩材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上不同，則稱為異質(zhì)外延。分子束外延是在超高真空環(huán)境中，把一定比例的構(gòu)成晶體的組分和摻雜原子（分子）的氣態(tài)束流，直接噴射到溫度適應(yīng)的襯底上，進(jìn)行晶體外延生長的制膜方法.該方法是七十年代在真空蒸發(fā)鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。是真空鍍膜技術(shù)的改進(jìn)與提高。其特點是生長速度很慢（~1m/h）生長溫度較低（500~600C），結(jié)構(gòu)厚度組分與摻雜分布可控制，可生長極薄的單晶薄膜層。在微波器件、光電器件、多層結(jié)構(gòu)器件、納米材料、納米電子學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在硅半導(dǎo)體器件中，用于制作雙極器件及其他有特殊要求的CMOS、DRAM器件。71MBE原理在超高真空條件下（<10-8Pa）,將組成化合物的各種元素（如Ga、As）和摻雜劑元素分別放入不同的噴射爐內(nèi)加熱，使它們的原子（或分子）以一定的熱運動速度和比例噴射到加熱的襯底表面上，與表面進(jìn)行相互作用并進(jìn)行晶體薄膜的外延生長。分子束向襯底噴射，當(dāng)蒸氣分子與襯底表面為幾個原子間距時，由于受到表面力場的作用而被吸附到襯底表面，并能沿表面進(jìn)一步遷移，然后在適當(dāng)?shù)奈恢蒙厢尫懦鰸摕幔纬删Ш嘶蚣藿拥骄Ц顸c上。但是也有可能因其能量大而重新返回到氣相中。因此，在一定的溫度下，吸附與解吸處于動態(tài)平衡。粘附系數(shù)：常以粘附系數(shù)來表示被化學(xué)吸附的分子數(shù)與入射到表面的分子數(shù)的比例。晶格失配：利用MBE方法在晶格常數(shù)為a的襯底A上外延極薄的一層晶格常數(shù)a2的材料B，則a2會膨脹或收縮以求得A材料的晶體常數(shù)為a1匹配。如果外延厚度超過了一定的臨界值，就會產(chǎn)生失配位錯，應(yīng)力被弛豫。72

超高真空是指殘余氣體的總壓力P1.33×10-7Pa的真空。在這樣的真空條件下，氣體分子穿越空間的平均自由程L可表示為

L=(1/nd2)（1.1）其中d為分子的直徑，n為真空中氣體分子的濃度，它與真空中的壓力P和溫度T的關(guān)系

n=P/KT（1.2）

K為玻耳茲曼常量(K=1.381×10-23。即

L=3.11×10-24T/P（1.3）在分子束外延設(shè)備中，參與外延生長的各個分子束是從特殊的噴射爐中產(chǎn)生的，通常，從爐口到襯底表面的距離為0.2m但殘余氣體處于高真空的壓力范圍內(nèi)時，從爐口噴出的分子、原子形成定向束，無碰撞地射向襯底表面，因此，超高真空環(huán)境是分子束外延技術(shù)的基礎(chǔ)條件737475（4）CVD薄膜生長7677CVD化學(xué)反應(yīng)Disproportionation

irreversibleAsCl3(g)＋3Ga(s)3GaCl(g)＋1/4As4(g)3GaCl(g)＋1/2As4(g)2GaAs(s)＋GaCl3(g)Disadvantages: multizonefurnace lowgasflow lowreactionefficiency(<66%) systemcontamination(hotwall)