半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀專家講座

薄膜半導(dǎo)體材料制備研究現(xiàn)實(shí)狀況小組組員：XXX半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第1頁(yè)薄膜制備方法按物理、化學(xué)角度來分，有：

一、物理成膜PVD二、化學(xué)成膜CVD三、其他方法

半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第2頁(yè)

利用蒸發(fā)、濺射沉積或復(fù)合技術(shù)，不包括到化學(xué)反應(yīng),成膜過程基本是一個(gè)物理過程而完成薄膜生長(zhǎng)過程技術(shù),以PVD為代表。一、物理成膜1.定義2.成膜方法與工藝真空蒸發(fā)鍍膜（包含脈沖激光沉積、分子束外延）濺射鍍膜離子成膜半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第3頁(yè)2.1真空蒸發(fā)鍍膜工藝方法（1）對(duì)于單質(zhì)材料，按常見加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱和激光加熱。1）電阻加熱2）電子束加熱

3）高頻感應(yīng)加熱4）電弧加熱5）激光加熱6）分子束外延(MBE)

7）脈沖激光沉積(PLD)半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第4頁(yè)2.2濺射鍍膜（sputteringdeposition）

濺射鍍膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料表面，使被轟擊出粒子在襯底上沉積技術(shù)。（1）直流濺射鍍膜（陰極濺射）（2）射頻濺射鍍膜（3）磁控濺射鍍膜（4）離子束濺射+-半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第5頁(yè)2.3離子成膜1).離子鍍及其原理：

真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合鍍膜技術(shù)，在鍍膜同時(shí)，采取帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行鍍膜技術(shù)。

即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場(chǎng)作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)中性粒子，沉積于襯底表面成膜。（1）空心陰極離子鍍（HCD）（2）多弧離子鍍2).離子鍍分類半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第6頁(yè)半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第7頁(yè)二、

化學(xué)氣相沉積(CVD)氣相沉積過程中沉積粒子起源于化合物氣相分解反應(yīng)，所以，稱為化學(xué)氣相沉積（CVD），不然，稱為物理氣相沉積（PVD）。2.1化學(xué)氣相沉積基本概念半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第8頁(yè)900°C2.2分類2.3CVD化學(xué)反應(yīng)700-1000℃熱分解反應(yīng) SiH4———

Si+2H2氧化還原反應(yīng) SiHCl3+H2——

Si+3HCl歧化反應(yīng) 2SiI2——Si

+SiI4半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第9頁(yè)3.1液相外延假設(shè)溶質(zhì)在液態(tài)溶劑內(nèi)溶解度隨溫度降低而減小，那么當(dāng)溶液飽和后再被冷卻時(shí)，溶質(zhì)析出，若有襯底與飽和溶液接觸，則溶質(zhì)會(huì)在適當(dāng)條件下外延生長(zhǎng)在襯底上。三、其它方法半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第10頁(yè)Electrochemicalpreparationandcharacterizationofthree-dimensionalnanostructuredSn2S3semiconductorfilmswithnanorodnetwork帶有納米棒網(wǎng)絡(luò)三維納米結(jié)構(gòu)硫化錫半導(dǎo)體薄膜電化學(xué)制備方法與特征制備原理：電沉積理論基礎(chǔ)是電解定律。當(dāng)電流經(jīng)過電解質(zhì)溶液時(shí)，與電源正極相連陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，與電源負(fù)極相連陰極發(fā)生還原反應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)條件下，電子將全部參加反應(yīng)，在電極表面形成沉積層。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第11頁(yè)制備過程：

在含有30mMSncl2、100mMNa2S2O3、60mMK4P2O4、溶液中，PH值用HCl稀釋，全部物質(zhì)采取分析純濃度，沉積在三電極體系中發(fā)生，采取恒電壓沉積Sn2S3薄膜。

采取ITO導(dǎo)電玻璃作為工作電極，pt片作輔助電極，標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極作為參考點(diǎn)擊；工作電極和輔助電極用丙酮和乙醇超聲重復(fù)清洗，然后再用蒸餾水清洗，沉積過程要攪拌著保持30℃溫度20分鐘，電壓-0.8V，有效沉積面積是1×2cm2，最終在Ar氣環(huán)境中，溫度在250℃下退火60分鐘。

半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第12頁(yè)試驗(yàn)原理圖：半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第13頁(yè)

從XRD圖中能夠看出，沉積Sn2S3薄膜，除了襯底ITO衍射峰之外，在31.9°,32.5°和37.9°這三個(gè)角度還含有相對(duì)斜方晶系Sn2S3衍射峰，對(duì)應(yīng)于(211),(240)和(250)面，(211)晶面有最大結(jié)構(gòu)系數(shù)1.845，并能夠算出晶粒尺寸大約25nm。熱處理之后衍射峰強(qiáng)度有所增加，另外，在斜方晶系Sn2S3薄膜27.6°,30.9°和33.5°處還有三個(gè)衍射峰,對(duì)應(yīng)于(230),(310)和(150)面，(310)晶面有最大結(jié)構(gòu)系數(shù)2.269，并能夠算出晶粒尺寸大約30nm。熱處理提升了薄膜結(jié)晶度半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第14頁(yè)

圖a展現(xiàn)了一個(gè)密集表面覆蓋顆粒形態(tài)，顆粒尺寸范圍大約是50-100nm，一些立方顆粒長(zhǎng)度到達(dá)大于300nm。

圖b展現(xiàn)了熱處理后薄膜展現(xiàn)一個(gè)棒狀納米結(jié)構(gòu)，直徑大約50-100nm，長(zhǎng)度大約1000nm，沿著不一樣方向分布著，中間夾著很深空隙，形成一個(gè)納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

該過程是一個(gè)熔融再結(jié)晶過程。微觀形貌半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第15頁(yè)依據(jù)曲線切線和X軸交點(diǎn)能夠得出，沉積得到薄膜能帶隙是1.87eV，而熱處理能帶隙是1.65eV，發(fā)覺熱處理之后能帶隙減小了，這是半導(dǎo)體薄膜一個(gè)正常現(xiàn)象，這是因?yàn)镾n2S3薄膜晶體尺寸增加造成。能帶隙半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第16頁(yè)電氣性能有錫空穴形成P型半導(dǎo)體，有硫空穴形成N型半導(dǎo)體，熱處理后Sn2S3薄膜載流子遷移率高是因?yàn)樾纬闪思{米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第17頁(yè)FabricationandCharacterizationofMetal/Insulator/SemiconductorStructures

BasedonTiO2andTiO2/SiO2ThinFilmsPreparedbyLow-Temperature

ArcVaporDeposition電弧蒸汽低溫沉積（LTAVD）是一個(gè)物理氣相沉積方法SchematicdiagramofLTAVD半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第18頁(yè)制備過程首先將N型硅襯底加熱到900℃，因?yàn)榭焖贌嵫趸饔迷谄浔砻嫔蒘iO2薄膜，然后經(jīng)過低溫電氣相沉積將TiO2薄膜沉積在N型Si和Si/SiO2襯底上。

低溫電氣相沉積詳細(xì)過程是：Si/SiO2襯底采取負(fù)偏壓，放置真空爐中加熱到200℃，真空爐氣壓為4x10-5mbar（毫巴），Ti電極產(chǎn)生電弧，然后通入氧氣形成等離子，沉積在襯底上形成TiO2薄膜。沉積后薄膜放在通有O2爐中退火30min，退火溫度為500℃，再遲緩冷卻至室溫。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第19頁(yè)

圖(a)和圖（b）分別展示了TiO2薄膜經(jīng)過LTAVD技術(shù)在Si襯底和Si/SiO2襯底沉積X射線衍射模式，它們退火溫度均在500℃。圖b中SiO2薄膜與TiO2薄膜都是非晶態(tài)，當(dāng)退火溫度為500℃，結(jié)構(gòu)開始由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)組織，在2θ=25.30°,48.03°以及55.06°均出現(xiàn)波峰，這些位置分別對(duì)應(yīng)著TiO2（101）、TiO2（200）、TiO2（211）。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第20頁(yè)

左圖分別為直接在Si襯底上沉積TiO2薄膜、在Si襯底上沉積并退火處理、在Si/SiO2襯底上沉積TiO2薄膜、在Si/SiO2襯底上沉積并退火處理，這些圖均沒有顯著裂紋和孔，退火溫度增加會(huì)造成隨機(jī)分布一些集群數(shù)量增加，退火處理后薄膜表面更光滑，在Si/SiO2襯底上沉積TiO2薄膜退火后效果更顯著。

使用低溫電弧氣相沉積能夠成功制備一個(gè)在Si/SiO2襯底上無裂紋TiO2薄膜，而直接沉積TiO2薄膜會(huì)存在高界態(tài)和漏電電流，退火處理后可減小一個(gè)量級(jí)。所以，相比其它沉積技術(shù)，低溫電弧氣相沉積可制備低漏電電流TiO2薄膜。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第21頁(yè)溶解前驅(qū)體溶液溶膠凝膠凝膠水解縮聚老化溶膠-凝膠技術(shù)溶膠-凝膠（Sol-Gel）法是一金屬有機(jī)化合物、金屬無機(jī)化合物或上述兩種化合物作為前驅(qū)體，溶于溶劑中形成溶膠，將潔凈玻片或其它基片插入溶液，或滴數(shù)滴溶液在基片上，用離心甩膠等方法敷于基體表面形成膠體膜，經(jīng)過水解縮聚反應(yīng)逐步凝膠化，在經(jīng)過干燥、燒結(jié)或熱處理等后續(xù)處理工序，取得所需氧化物或其它化合物。PreparationandcharacterizationoftransparentsemiconductorRuO2–SiO2filmssynthesizedbysol–gelroute半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第22頁(yè)金屬醇鹽溶劑（甲醇、乙醇等）水催化劑（酸或堿）水解和縮聚溶膠陳化涂層成型濕凝膠干凝膠成品干燥熱處理半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第23頁(yè)1、將不一樣量RuCl3·3.5H2O溶于30ml無水乙醇，在室溫下用磁力攪拌器攪拌1h，得到RuO2膠體。2、1mmolTEOS（正硅酸乙酯）分別溶于無水乙醇，并加入少許HCl以催化水解，一樣在室溫下攪拌2h，得到SiO2膠體。3、將RuO2膠體與SiO2膠體依據(jù)不一樣Ru/Si比率（1/5,1/10,1/20,1/30）分別混合并攪拌1h，得到RuO2/SiO2混合膠體。4、混合過后膠體經(jīng)過旋涂法在清潔石英基底上得到混合薄膜。5、之后將這些薄膜在60℃烘烤5分鐘。6、最終將這些涂層分別在400、500、700℃以150立方厘米每分鐘N2流動(dòng)氣氛中熱處理30分鐘，得到最終薄膜結(jié)構(gòu)。制備過程半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第24頁(yè)XRD分析結(jié)果依據(jù)XRD分析圖譜，我們能顯著看出伴伴隨熱處理溫度升高，RuO2和SiO2發(fā)生了相位分離。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第25頁(yè)四點(diǎn)探針表面電阻測(cè)量結(jié)果

伴隨Ru/Si比率上升，電阻率在增大，而伴隨熱處理溫度增加，電阻率在不停下降。半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀第26頁(yè)FTIR光譜檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果如右圖，除了Ru-O和Si-O-Si鍵光譜，還有1620cm-1水光譜，圖中能夠看出伴隨熱處理溫度是升高，Ru-O和Si-O-Si