厚薄膜材料與器件 第四章 新型半導體薄膜材料及器件.ppt

1、第四章 新型半導體薄膜材料及器件,新型半導體薄膜材料以非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜為代表，在發(fā)光、存儲、傳感、顯示、能源等領域有廣泛的用途。 新型半導體薄膜器件正向高效率、長壽命、低價格、高集成等方向發(fā)展。 新型半導體薄膜器件的發(fā)展以微電子學微基礎。,第一節(jié) 硅基非晶態(tài)半導體薄膜,非晶硅（amorphous silicon）簡稱a-Si，是當前非晶半導體材料及器件研究的重點和核心。 其可用作大面積、高效率太陽能電池材料，大屏幕液晶顯示器和平面顯示器，a-Si傳感器和攝像管，非晶電致發(fā)光器件等。 對非晶半導體的研究不僅在新材料、新器件和新工藝方面具有重要意義，而且對進一步認識固體理論中的許多問題也

2、會產生深遠影響。,特點,結構上，非晶半導體的組成原子排列呈長程無序狀態(tài)，但原子間的鍵合力十分類似于晶體，即其結構上表現(xiàn)為長程無序、短程有序。因而在能帶結構上是定域化的，即電子的遷移率變得十分小，室溫下電阻率很高。 可通過改變組分實現(xiàn)物性的連續(xù)變化，包括密度、相變溫度、電導率、禁帶寬度等。,在熱力學上處于亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下可轉變?yōu)榫B(tài)。 材料結構、電學及光學性質都十分靈敏地依賴于制備條件與制備方法，因而性能重復性較差。 物理性能各向同性，無周期性結構約束。 容易形成大面積均一性好的薄膜。 a-Si中一般存在大量氫，常稱氫化非晶硅，(a-Si:H),Study by Fluctuation el

3、ectron microscopy,Qualitative picture of variance of the diffracted intensity from: (a) a completely random collection of atoms and (b) a sample consisting of randomly oriented ordered clusters. (a) is small and shows little dependence on the imaging conditions. (b) is large, and varies significantl

4、y with the imaging conditions.,Density of states as a function of energy for a-Si and a-Si:H,非晶硅在微電子硅材料中所占比例,非晶硅結構,制備方法,非晶態(tài)半導體薄膜制備的技術關鍵在于避免材料的成核和晶化。通常采用快速冷卻的方式。 不同的材料成核和結晶的能力不同，其制備的冷卻速率也不一樣。 易于實現(xiàn)高冷卻速率的制備方法主要有：真空蒸發(fā)沉積法、輝光放電化學氣相沉積法、濺射沉積法、熱絲化學氣相沉積法、微波回旋共振化學氣相沉積等。,SiH4 的分解過程,輝光放電分解 要使SiH4氣體和稀釋氣體H2分解，需要一定

5、的能量： H2 H + H SiH4 Si 2H2 SiH4 SiH H2 H SiH4 e(高速) SiH4* e(低速) SiH4* Si* 2H2,4.6eV,4.4eV,5.9eV,Schematic concept for the dissociation processes of SiH4 and H2 molecules to a variety of chemical species in the plasma through their electronic-excited states.,生長機理,生成a-Si:H薄膜的主要反應是： SiH(氣) H(氣) Si(固) H2

6、(氣) 其次，可能出現(xiàn)的反應有： SiH(氣) SiH(固) SiH(氣) H(氣) SiH2(固) 氫一方面是形成a-Si:H薄膜的重要反應物，同時其又可能破壞反應生成表面，存在： Si(固) H(氣) SiH(氣) 這將消除薄膜表面上弱的SiSi鍵，重新建立起較穩(wěn)定的SiSi鍵合。,生長設備,ECR-CVD system,The “hot wire” deposition system, which shows great promise for producing amorphous silicon PV devices,薄膜的表面形貌,AFM images of a-Si film a

7、t different H concentrations in the process gas, (a) 0%; (b) 20% and (c) 49%. These films were prepared by 2 ECR plasma sputtering at room temperature, on quartz. Thickness of films was 500 nm.,性能,Some properties of a-Si:H and a-SiGe:H,a-Si薄膜的應用,太陽能電池,太陽能電池薄膜制式調查,太陽能電池 工作原理,p-i-n amorphous silicon s

8、olar cell i 層為本征層，是核心部分，是光生載流子的產生區(qū)。,Band diagram of a-SiGe:H,TCO： Transparent electrode IL ：Insulation film SUS ： Stainless steel substrate,太陽能電池結構,PIN光電二極管,The pin diode structure,Cartoon illustrating the principal parameters used in modeling photocarriers in semiconductors.bandedge level energies

9、EC and EV, bandgap EG, interband photocarrier generation G, electron and hole mobilities e and h and densities n and p, and electronhole recombination R.,a-Si p-i-n diode I-V curve under different illumination intensities,PIN光電二極管的應用,PIN光電二極管的應用領域很廣，主要用作：,通訊用光電探測器、光接收器； 各種通信設備收發(fā)天線的高頻功率開關切換和RF領域的高速開關

10、； 各種家電遙控器的接收管(紅外波段)、UHF頻帶小信號開關、收音機BC頻帶到1000MHZ之間電流控制可變衰減器等。,可見光/紅外探測器,The device behaves like a back-to-back diode. The applied voltage forward biases one diode and reverse biases the other one. The visible spectrum of the impinging light is absorbed by the amorphous layers and only the long-wavelen

11、gth region of the spectrum radiation reaches the c-Si junction. Then the measured current is due to the carriers photogenerated in the p-doped crystalline material, where they move by diffusion.,On the other side, when the amorphous p-i-n diode is reversely biased the measured current is due to the

12、carriers photo-generated in the a-Si:H intrinsic layer where they move by drift. Short-wavelength light is then detected.,Sensors and Actuators A 88 (2001) 139-145,Uncooled IR focal plane array,a 320 x 240 pixel array with a pitch of 45 m. a single stage thermoelectric temperature stabilizer, integr

13、ated into a miniaturized package. Material: Resistive amorphous silicon.,A histogram plot of the sensitivity of a component polarized with 3 Volts,The mean value of the sensitivity is about 9,6 mV/K with a nonuniformity (standard deviation/mean value) of 1.5 %.,Thermographs,在液晶顯示器中的應用,ITO Electrode,

14、（a）AMLCD截面；（b）AMLCD顯示元結構,在TFT元件的應用,a-Si TFT 元件制備工藝流程,A researcher works on a commercial lithography machine, which is a microcircuit manufacturing device.,a-Si:H TFTs 液晶顯示器截面結構示意圖,第二節(jié) 多晶硅和微晶硅薄膜,盡管a-Si:H薄膜在光學方面有很大的優(yōu)點，但在電學性質方面因載流子的遷移率低，極大地限制其應用。因而發(fā)展氫化微晶硅（c-Si:H）和多晶硅（poly-Si:H）薄膜是很必要的。 微晶硅和多晶硅具有很多優(yōu)良性質，

15、可在低溫下大面積生長，容易進行摻雜，可制作歐姆接觸層，具有較高的電導率，等等。,c-Si:H薄膜的生長方法,基于高氫氣稀釋比、高功率密度的PECVD技術； 用氫等離子體退火處理a-Si:H薄膜； 電子回旋共振等離子體沉積技術； 熱絲或催化CVD沉積技術。,Schematic cross-section of a hot-wire deposition chamber at Utrecht University. It basically contains a substrate holder, a shutter, a hot-wire assembly, a gas inlet and a

16、pump port. The substrate holder is optionally heated using the external heater.,熱絲CVD,c-Si:H薄膜生長機理,Si(固體),SiH4,SiHx,SiHn,擴散,粒子,H,H,e,SiH4 SiH4 Si m H,等離子體, 1, 2,c-Si:H從a-Si:H相中成核相,Schematic diagram of solid phase crystallization of amorphous silicon by thin film heater.,多晶硅電鏡照片,晶界模型,多晶硅的應用,太陽能電池,Thin Solid Films 451452 (2004) 455465,太陽能電池,IV-characteristics of a solar cell,Solar Energy Materials & Solar Cells 81(2004)141,Thin-film