薄膜材料復習

1、金剛石的優(yōu)異特性金剛石的優(yōu)異特性表表3-1，與，與SiC、GaAs和和Si的比較的比較 特別注意：熱膨脹系數(shù)、帶隙、空穴遷移率、電阻率、特別注意：熱膨脹系數(shù)、帶隙、空穴遷移率、電阻率、熱導率、硬度熱導率、硬度表表3-2、3-3、3-4、3-5，金剛石的主要力學、，金剛石的主要力學、電學、熱學和光學性能電學、熱學和光學性能碳基薄膜材料Diamond-like carbon, DLC類金剛石膜晶體硅晶體硅非晶硅非晶硅金剛石金剛石DLC（含有金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜）（含有金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜）在某些要求沉積溫度低、膜面光潔度高的場合，只有在某些要求沉積溫度低、膜面光潔度高的場合，只有DLC勝任勝任五員

2、環(huán)五員環(huán)(P)和六員環(huán)和六員環(huán)(H) 的環(huán)數(shù)比的環(huán)數(shù)比http:/ 碳還會帶來新的驚喜嗎?DLC基本性質(zhì)基本性質(zhì)Ta（四面體）（四面體）低遷移率半導體，帶隙可變（低遷移率半導體，帶隙可變（1-4eV）具有室溫下的光熒光效應(yīng)和低電子親和勢具有室溫下的光熒光效應(yīng)和低電子親和勢良好的抗磨、熱導、紅外透過和高硬度良好的抗磨、熱導、紅外透過和高硬度低摩擦系數(shù)低摩擦系數(shù)性質(zhì)主要由性質(zhì)主要由sp3:sp2決定決定DLC的制備的制備比金剛石容易制備，襯底溫比金剛石容易制備，襯底溫度不高度不高無氫非晶碳膜（無氫非晶碳膜（a-C film）：）：一般一般CVD制備制備Ta-C film或非晶金剛石薄膜：或非晶金剛

3、石薄膜：一般一般PVD制備制備DLC的電導的電導金剛石（寬禁帶、絕緣）和石墨（零禁帶、導電）的混合金剛石（寬禁帶、絕緣）和石墨（零禁帶、導電）的混合sp3、sp2的混合的混合原子結(jié)構(gòu)是原子結(jié)構(gòu)是和和鍵的混合鍵的混合與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系低溫：低溫：Mott的變程跳躍電導理論的變程跳躍電導理論室溫：帶尾定域態(tài)室溫：帶尾定域態(tài)高溫：擴展態(tài)高溫：擴展態(tài)沉積參數(shù)對沉積參數(shù)對DLC電導的影響電導的影響襯底溫度越高，電導率上升襯底溫度越高，電導率上升導電機制的主要因素應(yīng)取決于導電機制的主要因素應(yīng)取決于sp2與與sp3鍵的比例，這一比例鍵的比例，這一比例超過某一閾值，電導率由費米能級附近的變程跳躍機制決定

4、超過某一閾值，電導率由費米能級附近的變程跳躍機制決定（ 鍵鍵），低于這一閾值時，則由），低于這一閾值時，則由鍵決定，則類似近程跳躍鍵決定，則類似近程跳躍電導機制。電導機制。電子在兩態(tài)間跳躍的距離變化，對電導影響巨大。電子在兩態(tài)間跳躍的距離變化，對電導影響巨大。沉積氣壓高，電導率下降沉積氣壓高，電導率下降襯底偏壓高，電導率上升襯底偏壓高，電導率上升DLC的光學特性的光學特性光學性質(zhì)對沉積方法及工藝參數(shù)比較敏感光學性質(zhì)對沉積方法及工藝參數(shù)比較敏感吸收系數(shù)吸收系數(shù)光學帶隙光學帶隙偏壓，氣壓sp2與sp3鍵的比值退火的影響：隨襯底溫度的升高，吸收系數(shù)增大DLC的力學特性的力學特性內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力爆裂、脫落

5、爆裂、脫落特別在金屬基底的附著力不佳特別在金屬基底的附著力不佳DLC其它性能其它性能介電介電場發(fā)射場發(fā)射潤濕性潤濕性熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性：Si的加入可提高的加入可提高摩擦性能摩擦性能折射率折射率DLC的應(yīng)用的應(yīng)用c-BN的特性與應(yīng)用的特性與應(yīng)用熱導率、硬度僅次于金剛石熱導率、硬度僅次于金剛石熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學性能，比金剛石更優(yōu)于用對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學性能，比金剛石更優(yōu)于用于鋼鐵材料加工于鋼鐵材料加工很寬的波長范圍內(nèi)，具有良好的透光性很寬的波長范圍內(nèi)，具有良好的透光性通過摻雜，可獲得通過摻雜，可獲得p、n半導體，可應(yīng)用于電子器件半導體，可應(yīng)

6、用于電子器件c-BN的制備的制備PVD： 濺射，靶材濺射，靶材h-BN, B，氣氛，氣氛Ar, N2或混合或混合 離子鍍離子鍍 PLDCVD 分解含分解含N、B的化合物的化合物質(zhì)量檢測質(zhì)量檢測 FTIR XPS確定立方相的比值背景CNTs薄膜半導體材料的分類半導體材料的分類元素半導體元素半導體：常見的有硅、鍺等。：常見的有硅、鍺等。化合物半導體化合物半導體：部分：部分族元素和族元素和族元族元素形成的化合物具有半導體的特性，且被廣泛素形成的化合物具有半導體的特性，且被廣泛應(yīng)用。如：應(yīng)用。如： 族化合物：族化合物：GaAs、InP等。等。 VI族化合物：族化合物：CdTe、CdS等。等。有機半導體

7、有機半導體現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分有機化合物也具有現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分有機化合物也具有半導體的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青半導體的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青以及一些芳香類化合物等。以及一些芳香類化合物等。無定形半導體無定形半導體：無定形硅（：無定形硅（a-Si）和微晶半導體）和微晶半導體即屬此類，其應(yīng)用價值正在開發(fā)之中。即屬此類，其應(yīng)用價值正在開發(fā)之中。從應(yīng)用角度角度，非晶半導體薄膜材料具有以下特點可在任意襯底上形成薄膜材料容易實現(xiàn)大面積化，且不受形狀的限制制備工藝簡單，造價低廉有優(yōu)異的光學和電學性能，尤其是光吸收系數(shù)比較大非晶硅 非晶硅a-Si:H非晶硅基合金薄膜材料:a-SiC:H, a-SiN:H

8、等與晶體材料的差異：無長程有序，保持短程有序，不僅有導帶、禁帶和價帶還有導帶尾態(tài)、價帶尾態(tài)和帶中缺陷，且這些態(tài)是定域化的。增加了跳躍導電機制，遷移率小，室溫電阻率高?？刹糠謱崿F(xiàn)連續(xù)的物性控制熱力學亞穩(wěn)態(tài)性質(zhì)依賴于制備條件和方法，重復性比晶態(tài)差各向同性非晶半導體制備方法非晶形成能力大的（硫系），熔體快速冷卻（103-104 /s ）非晶形成能力低的，需要更高的冷卻速度（大于105 /s ），采用真空蒸發(fā)、輝光放電和濺射,*CVD輝光放電等離子CVD非晶半導體能帶模型 Mott-CFO模型：基于緊束縛，固態(tài)中電子的狀態(tài)主要決定于該電子所屬的原子及其最近鄰原子。非晶態(tài)與晶態(tài)應(yīng)該有類似的能帶結(jié)構(gòu)。原子

9、最近鄰位置上的微小變化，以及次近鄰和更遠近鄰位置上的變化，可看成是對能帶中電子密度的一種微擾。 短程有序基本能帶 長程無序定域態(tài)帶尾 懸掛鍵帶隙中間形成隙態(tài)晶體：直接躍遷、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光學性質(zhì)非晶：電子跨越禁帶時的躍遷沒有直接躍遷和間接躍遷的區(qū)別不再遵守動量守恒的選擇定則非晶結(jié)構(gòu)上的無序使得非晶的電子沒有確定的波矢很好的光學性能，很大的光吸收系數(shù)很好的光學性能，很大的光吸收系數(shù)可實現(xiàn)高濃度摻雜，也能制備高質(zhì)量的可實現(xiàn)高濃度摻雜，也能制備高質(zhì)量的pn結(jié)合多層結(jié)結(jié)合多層結(jié)構(gòu)，易形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，易形成異質(zhì)結(jié)通過組分控制，可在相當寬的范圍內(nèi)控制光學帶隙通過組分控

10、制，可在相當寬的范圍內(nèi)控制光學帶隙可在較低溫度下，采用可在較低溫度下，采用CVD等方法進行制備薄膜，生產(chǎn)等方法進行制備薄膜，生產(chǎn)過程相對簡單過程相對簡單非晶硅的優(yōu)點缺乏長期穩(wěn)定性，處于非平衡態(tài)，所制備器件存在性能缺乏長期穩(wěn)定性，處于非平衡態(tài)，所制備器件存在性能退化，比如退化，比如S-W效應(yīng)效應(yīng)載流子遷移率第，不利于制備高頻高速器件；但可用于載流子遷移率第，不利于制備高頻高速器件；但可用于低功耗產(chǎn)品中低功耗產(chǎn)品中缺點非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在300-750nm的的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個

11、數(shù)量級。級。因而它比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高因而它比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，倍左右，用很薄的非晶硅膜（用很薄的非晶硅膜（1微米）就能吸收微米）就能吸收90%有用的太陽有用的太陽能。能。這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。格太陽能電池的最主要因素。非晶硅的應(yīng)用太陽能電池非晶硅太陽能電池的工作原理光伏效應(yīng)的三個必要條件入射光必須能產(chǎn)生非平衡載流子非平衡載流子必須經(jīng)受一個由p-n或金屬半導體接觸勢壘所提供的靜電場的漂移作用非平衡載流子要有一定的壽命，以保證能有效地被收集薄膜太陽能電池材料p-n結(jié)

12、的輸運性質(zhì)(I-V)及其光照性質(zhì)Uoc 開路電壓Isc 短路電流F 填充因子太陽能電池參數(shù) 轉(zhuǎn)換效率提高非晶硅太陽能電池效率和降低成本本征層底部重摻雜層的襯底表面重摻雜層太陽光的有效利用降低成本可靠性IIIA-VA族化合物太陽能電池優(yōu)點IIIA-VA族化合物太陽能電池直接帶隙效率高光吸收系數(shù)大薄良好的抗輻射性能、較小的溫度系數(shù)太空用化合物種類多容易摻雜，Eg, lattice容易調(diào)控真空室中氣體的來源 吸附氣體： 空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學吸附放氣量在中真空階段與空間氣源相當，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊 系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡

13、膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空2.3 真空的獲得 有害空間1處的氣體不能被排走，會穿過2點，回到吸氣側(cè)2.3 真空的獲得 總量程：105-10-14Pa，沒有一種計能測全（同真空泵類似）分類：1.絕對真空計：直接測力，換算出壓強： 與氣體種類無關(guān)； U形管，壓縮式（波登管）2.相對真空計：測量與壓力有關(guān)的物性來表征真空度 與氣體種類有關(guān)； 熱傳導真空計、電離真空計2.4 真空的測量 1. U形管壓力計 利用大氣壓與真空壓差，通常用水銀作介質(zhì) 測量范圍：105102 Pa2. 壓縮式真空計 將一定量待測壓力的氣體，經(jīng)過等溫壓縮使之壓力增加再用U型管測量，然后用體積和壓力的關(guān)系換算。 測量范圍：

14、10210-3 Pa3. 熱傳導真空計 利用氣體分子熱傳導在低壓力下與壓力有關(guān) 熱阻真空計、熱偶真空計 測量范圍：10410-1 Pa2.4 真空的測量 4. 電離真空計 利用低氣壓下氣體電離的離子電流與與壓強的關(guān)系 熱陰極型 、冷陰極型（潘寧）、B-A型 測量范圍：10-110-5、10-110-8 Pa5. 氣體放電管 利用氣體放電的顏色與壓強的關(guān)系，不能定量 測量范圍（Pa） 10316. 分壓力真空計 質(zhì)譜儀等，進行混合氣體分壓力測量 2.4 真空的測量 溫度對壓力測試準確性的影響兩連通容器的壓力：1. 低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等 P1 = P2， 2. 高真空：分子層流情

15、況，平衡條件是流導相等例：真空室溫度600 ，規(guī)管溫度25 ， 測量壓力只有真實壓力的58。mkTPnva2412.4 真空的測量 飽和蒸氣壓的理論推導 克拉伯龍克勞修斯方程： Pv：飽和蒸氣壓；Hv：蒸發(fā)熱或摩爾氣化熱； Vg、Vs：氣相和固相、液相的摩爾體積。顯然： Vg Vs ，并且低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態(tài)方程3.1 基本原理)(sgvvVVTHdTdP近似Hv與溫度無關(guān)，則：3.1 基本原理vgPRTVRHTdPdRTdTHPdPvvvvv)/1()(ln2TBAPRTHCPvvvlgln應(yīng)用范圍：蒸氣壓小于1 Torr； 原因：Hv與溫度無關(guān)的近似A、B為常數(shù)，由試驗確定。如

16、對于Al: 公式作用：合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件。 3.1 基本原理TTTPv61052.3lg999.0533.1415993lg蒸發(fā)溫度定義：飽和蒸氣壓為10-2托時的溫度。由此，蒸發(fā)材料分為兩種：1）蒸發(fā)：蒸發(fā)溫度大于熔點， 大多數(shù)金屬2）升華：加熱溫度小于熔點 Cr、Ti、Mo、Fe等 Pv = 1則T蒸發(fā) = B/A3.1 基本原理3.5 膜厚測量及監(jiān)測知識回顧知識回顧6.1 CVD原理及特點原理及特點化學平衡條件化學平衡條件預(yù)測反應(yīng)的可能性可能性（定性），提供化學反應(yīng)的平衡點位置以及各種條件參數(shù)對條件參數(shù)對平衡點的影響平衡點的影響等信息（定量）。已知反應(yīng)物的成分和反應(yīng)溫度化學

17、物質(zhì)的分壓或活度。實際計算過程需要考慮各種中間產(chǎn)物。例：Si薄膜的沉積，在氯硅烷的還原過程中，至少已經(jīng)識別出8種氣態(tài)的化合物：SiCl4, SiCl3H, SiCl2H2, SiClH3, SiH4, SiCl2, HCl, H26.1 CVD原理及特點原理及特點6.1 CVD原理及特點原理及特點2412424)( 4HCl(g)Si(s)(g)2H(g)SiClHSiClHClSiPPPaK ；2322323)( 3HCl(g)Si(s)(g)2HH(g)SiClHHSiClHClSiPPPaK ；222322)( 2HCl(g)Si(s)(g)HSiClHSiClHClSiPPaK；32)

18、( ) g (HHCl(g)Si(s)(g)SiClH423SiClHHHClSiPPPaK ；Si的活度aSi可取為1。6個方程，8種氣體的未知的分壓，還需要兩個與此相關(guān)的方程，第一個方程指在反應(yīng)器中氣體總壓應(yīng)等于各組成氣體分壓之和，這是一個定律。如總壓為1atm6.1 CVD原理及特點原理及特點第二個方程涉及第二個方程涉及Cl/H的原子比值，如果的原子比值，如果Cl和和H原子既原子既沒有有效地加進，也沒有從系統(tǒng)中取出，那么這個比沒有有效地加進，也沒有從系統(tǒng)中取出，那么這個比值可以看成是固定的，即值可以看成是固定的，即上式分子表示系統(tǒng)中總的上式分子表示系統(tǒng)中總的Cl克原子數(shù)等于組成系克原子數(shù)等于組成系統(tǒng)中的各氣體中含統(tǒng)中的各氣體中含Cl的克原子數(shù)之和。的克原子數(shù)之和。 6.1 CVD原理及特點原理及特點比如在SiCl4中，Cl的質(zhì)量為 式中m和M分別表示質(zhì)量和分子量，從理想氣體定律出發(fā)6.1 CVD原理及特點原理及特點RTVPMmSiClSiClSiCl444現(xiàn)有現(xiàn)有8個獨立方程，從原則上講可以確定個獨立方程，從原則上講可以確定8個氣體個氣體分壓值，但是首先必須確定反應(yīng)平衡