介質薄膜的性質,半導體薄膜的性質

1、 9.3 介質薄膜的電學性質 9.4 半導體薄膜的性質 9.5 薄膜的其他性質2015.05.26一、絕緣性質二、介電性質三、壓電性質四、熱釋電性質五、鐵電性質介質薄膜電學性質 介質薄膜絕緣性能的研究主要是為了制作薄膜電子元器件中的絕緣層。對絕緣性能的研究主要是電導和擊穿特性介質薄膜的電導介質薄膜的電導 在測量介質薄膜的電導時，需在介質膜的兩面制作電極，形成金屬一介質一金屬(MIM)結構，只有在電極與介質的接觸是歐姆接觸時，測出的電導才是介質膜的電導。1介質薄膜電導的分類1)按載流子的性質：可分為離子型電導和電子型電導。通常兩種同時存在。2)按載流子的來源分，離子電導和電子電導都有兩種來源：一

2、種是來源于介質薄膜本身的，稱本征電導；另一種是由膜中的雜質和缺陷引起的電導，稱為雜質電導或非本征電導。 2介質膜的電導與場強和溫度的關系1)通常在低場強(E106Vcm)下，電導為非歐姆性的；例如介質膜用作電容器中的工作介質時的情況。3)在一般電場條件下,介質薄膜的電導率隨溫度升高而增加。高溫下為本征電導，中低溫時不同溫度范圍激活能不同。介質薄膜的擊穿介質薄膜的擊穿 當施加到薄膜上的電場強度達到某一數(shù)值，它便立即失去絕緣性能，這種現(xiàn)象叫做擊穿。從擊穿對薄膜造成的影響分類 1）如果擊穿電場持續(xù)加在薄膜上，將有較大電流通過將其燒毀，這種擊穿成為硬擊穿。 2）有些介質膜在擊穿時并不燒毀而是長期穩(wěn)定的

3、工作維持低阻態(tài)，這種膜的擊穿成為軟擊穿。從擊穿機理分類 1) 由于外加電場引起的擊穿稱為本征擊穿 2) 因薄膜缺陷引起的擊穿稱為非本征擊穿介質膜的本征擊穿 本征擊穿由電擊穿和熱擊穿共同作用完成。電擊穿是介質膜中載流子在臨界電場作用下產(chǎn)生電子倍增而形成的擊穿。電擊穿時電子雪崩式增加，產(chǎn)生大量焦耳熱，介質膜溫度迅速上升，介質膜電導隨溫度上升指數(shù)型增加，進一步導致電流增大，最后造成局部地區(qū)產(chǎn)生熱分解、揮發(fā)或熔化，促成熱擊穿。常見介質膜的擊穿場強對于同一種介質膜，因制造方法不同其擊穿場強有較大的區(qū)別，產(chǎn)生這種差異的原因是不同制造方法在介質薄膜制備過程中產(chǎn)生的針孔、微裂痕、纖維絲和雜質缺陷等不同。二、介

4、質薄膜的介電性質 作為薄膜電容器使用時，其電學性質主要研究的是介電常數(shù)和介質損耗。介質薄膜的介電常數(shù) 根據(jù)極化性質的不同，將介質薄膜分為極化型介質薄膜和非極化型介質薄膜。 由于極化強弱與介質薄膜中總電荷數(shù)以及電荷間相互作用強弱有關，所以介質薄膜介電常數(shù)與原子序數(shù)有關。 介電薄膜的溫度系數(shù)也是其介電性能的重要參數(shù)。 在測量溫度系數(shù)時必須在介質膜上制備歐姆接觸電極，構成一個片狀電容器。在測量電容器溫度系數(shù)后再推求出介電常數(shù)的溫度系數(shù) 式中d為薄膜厚度熱膨脹系數(shù)，可直接測出。介質薄膜的損耗 對薄膜施加交變電場后，由于電導和極化方面的原因，必然產(chǎn)生能量損耗，用損耗角的正切值tan（%）表示介質薄膜的損

5、耗由三部分構成電導損耗。在低頻下比較顯著。 弛豫型損耗。與交變電場頻率有密切關系，高頻顯著。非弛豫型損耗。由膜內不均勻性造成，與頻率幾乎無關。三、介質薄膜的壓電性質帶電粒子在應力作用下發(fā)生相對位移而極化，在晶體兩端產(chǎn)生符號相反的束縛電荷，電荷密度與應力成線性關系。這種由于應力作用使表面產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象稱為正壓電效應。當晶體受到電場作用時在它的某個方向發(fā)生應變，且應變與場強成線性關系，稱為負壓電效應。 這兩種效應綜合在一起稱為壓電效應。目前應用最多的壓電薄膜有ZnO和AlN壓電薄膜的結構 為了產(chǎn)生極化電荷，要求：（1）離子晶體（2）晶體結構沒有對稱中心（3）所選材料各微晶基本上有相同取向（4）

6、微晶原子排列上要求立方晶結構閃鋅礦或者六方晶結構纖鋅礦。壓電性能參數(shù)機電耦合系數(shù)壓電系數(shù)d 單位應力作用下產(chǎn)生的極化強度或者單位電場作用下產(chǎn)生的應變機械品質因數(shù)Qm 描述壓電材料在諧振時機械能損耗的數(shù)量電學品質因數(shù)Qe 描述損失的交變電流能量無功電流有功電流四、介質薄膜的熱釋電性質具有自發(fā)極化的晶體被加熱時表面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)場稱為熱釋電效應。 當給熱釋電晶體施加電場時，會引起晶體溫度的變化，這稱為電卡效應。熱釋電晶體要求具有自發(fā)極化型，且結構上沒有對稱中心。五、介質薄膜的鐵電效應鐵電體：某些晶體在一定溫度范圍內具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化方向可以隨著電場方向而變化。鐵電體的特征： 具有電滯回線

7、（極化強度P和外電場E間的特定關系）存在一個臨界溫度，即鐵電居里溫度其介電性、熱學、光學、彈性性質在在臨界溫度附近出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。目前研究較多的鐵電薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3 半導體薄膜的發(fā)展與半導體器件及集成電路的發(fā)展有著密切的關系，在各種半導體材料中，半導體薄膜占有非常重要的地位。首先得到應用的半導體材料就是半導體薄膜。(氧化亞銅整流器、鍺整流器件)本節(jié)僅就單晶、多晶、非晶和氧化物半導體薄膜等四種材料的性質作些扼要介紹。 1. 硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜 3.族化合物半導體薄膜 4.族化合物半導體薄膜。1. 硅外延薄膜 所謂“外延”(epitaxy)就

8、是原子以單晶形式排列在單晶基體上，使最后形成的薄膜層的晶格結構恰好是基體晶格結構的延續(xù)(外延)。 硅外延薄膜是通過化學氣相沉積法(CVD)制造的。厚度在1m到20 m之間變化。(1)外延膜厚度均勻性、電阻率的均勻性 外延膜厚度分布均勻性受反應氣體流速的影響。在CVD法制膜過程中：1）氣流速度過快，會形成不穩(wěn)定的紊流，外延膜中間厚，邊緣?。?）氣流速度過慢，結果是膜的中間薄邊緣厚。 此外， 外延膜電阻率均勻問題決定于薄膜形成時加入到反應氣體中雜質的種類和數(shù)量。生長高品質Si外延薄膜需要考慮的問題： (2)自動摻雜效應 在外延膜生長過程中來自基體中的雜質摻雜稱為自動摻雜效應。 抑制自動摻雜效應采取

9、的措施：減小外延膜生長時的氣壓(減壓CVD)，減小外延膜成長速率，增大氣體流量使用低蒸氣壓摻雜劑 (3)結構缺陷 在外延膜中的結構缺陷有位錯、積層缺陷、析出物、雜質異物和氧化缺陷等。從廣義角度看，還有氧、碳及重金屬雜質、原子空位和填隙原子等點缺陷。目前研究較多的缺陷是硅氧化時從表面引入的積層缺陷。(衡量這種缺陷的參數(shù)是積層缺陷長度L，它與氧化時間t及溫度T有關)。（4） 掩埋層變形和偏移。 硅外延膜生長時容易產(chǎn)生掩埋層位置移動和邊緣塌陷變形現(xiàn)象。它與生長溫度，氣體種類，基體晶面方位等有關。2.SOS(Si on Sapphire) 膜 在藍寶石基體上外延生長的Si膜稱為SOS薄膜。它是制造大規(guī)

10、模集成電路的理想材料。利用SOS膜可提高電路的集成度、工作速度和可靠性，實現(xiàn)低功耗。 但因它屬于異質外延生長，在SOS膜中還有缺點：如由于硅和藍寶石熱膨脹系數(shù)不同，在膜中產(chǎn)生壓應變、高密度晶格缺陷、在Si膜和藍寶石基體間存在著過渡區(qū)、有來自基體的Al自摻雜。這些缺點對薄膜性質的影響表現(xiàn)在：(1)熱應變的影響 SOS膜的生長是在1000左右溫度下進行。因室溫下Si膜和藍寶石基體的熱膨脹系數(shù)不同，在Si膜中產(chǎn)生壓應力大約109dyn/cm2。由于壓應力作用使Si膜導帶能量發(fā)生變化，從而引起電導率發(fā)生變化。 (2)結構缺陷和電導率 結構缺陷的多少會影響到薄膜電導率的不同。以位錯這種結構缺陷為例，在

11、SOS膜中位錯密度與膜厚d有關。膜厚增加位錯減少電導率變化 (3)藍寶石與Si膜的界面 在Si膜和藍寶石基體之間存在一個厚度約為20-40nm的過渡區(qū)。在這個區(qū)域中存在有Al-Si-O化合物，與Si-SiO2界面一樣，在Si膜與藍寶石基體界面處Si的禁帶中央?yún)^(qū)域，界面能級密度較小。在半導體器件中這種界面能級是形成漏電流的一個原因。 但藍寶石基體中的Al自動摻雜作用對Si膜電導率影響不太大。 3.族化合物半導體薄膜 利用化學氣相沉積(CVD)法可在各種基體上制造出單晶薄膜。 如可以在GaAs等基體上進行異質外延生長并制備出低電阻率的N型單晶薄膜ZnSe和CdS ，P型單晶薄膜ZnTe。 這就克服

12、了一般用 族化合物半導體難于制造兩種導電類型(P型和N型)半導體的困難(CdTe除外)。有效地利用薄膜具有禁帶寬度大和直接轉換導電類型等特點，來制造太陽能電池、發(fā)光和光接收器件。 另外利用MOCVD或者MBE方法也可制造出低電阻率薄膜。4.族化合物半導體薄膜 這類薄膜可用氣相外延或液相外延法制造。 氣相外延生長的GaAs薄膜中，載流子密度大約為1013cm3左右。 在液相外延薄膜中的位錯密度與基體位錯密度有直接關系。用控制蒸氣壓溫差法可有效降低基體的位錯密度。在最適宜的蒸氣壓條件下位錯密度可以控制到少于100個/ cm2位錯。從而改善外延膜的電學性質。 多晶是具有某種尺寸分布的單晶顆粒的集合體

13、。這些晶粒沒有一定的結晶方向。在每個晶粒內部有規(guī)則順序排列的原子但沒有晶格缺陷。在晶粒間界處有顯著的晶格混亂失配。 在單晶中，晶體的性質主要取決于位錯密度和雜質濃度。但在多晶中由于晶粒尺寸分布和擇優(yōu)取向等因素影響，其物理性質千差萬別。 半導體多晶薄膜的電學性質在很大程度上受晶粒尺寸、晶粒間界及晶粒間界處缺陷密度的影響 非晶半導體薄膜根據(jù)元素化學性質和組合情況分為兩種類型：硫硒碲系和四面體系。1）硫硒碲系中都含有二配位的S、Se和Te原子并且組成一維或二維網(wǎng)絡。彼此之間依靠范德華力聯(lián)結成分子性較強的固體。2）四面體系是靠原子間強方向性正四體配位的共價鍵結合而形成三維的堅固網(wǎng)格狀固體。1）硫硒碲系

14、非晶半導體薄膜 用真空蒸發(fā)或陰極濺射等氣相沉積法或液相沉積法制備。 與單晶半導體材料相類似，它具有電子傳輸性能、激活型導電、大的熱電勢及較高的光導性能。 2）四面體系非晶半導體薄膜 典型代表是：非晶硅膜a-Si。 當膜厚d非常薄時，其電導率：式中 0是電子躍遷平均距離；N(Ef)是電子狀態(tài)密度； k是玻耳茲曼常數(shù)； Ef是費米能級；是能量為Ef時電子波函數(shù)的衰減常數(shù)；B是常數(shù) 。 這類半導體薄膜中，應用較廣泛的是SnO2、In2O3和Cd2SnO4等半導體薄膜。 它們都是透明導電薄膜，在電學和光學方面的應用實例在下表中給出。在電氣應用時對普通透光性和導電性都有較高的要求。在光學應用時要求對可見光和紅外線有較好的選擇反射特性。9.5 其他新型薄膜及性質超導薄膜 超導體：在一定的臨界溫度Tc下，電阻值突然變?yōu)?，表現(xiàn)出完全導電體，完全抗磁體，量子凝縮效應以及約瑟