幾種重要的微電子器件

關(guān)于幾種重要的微電子器件第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容薄膜晶體管（TFT）光電器件（LED，LD）電荷耦合器件（CCD）第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.0薄膜晶體管薄膜晶體管(ThinFilmTransistor，TFT)

通常是指利用半導(dǎo)體薄膜材料制成的絕緣柵場效應(yīng)晶體管非晶硅薄膜晶體管(a-SiTFT)多晶硅薄膜晶體管(poly-SiTFT)碳化硅薄膜晶體管(SiCTFT)第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日1.TFT的結(jié)構(gòu)1）立體結(jié)構(gòu)型（底柵結(jié)構(gòu)型）2）平面結(jié)構(gòu)型（頂柵結(jié)構(gòu)型）第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.TFT的應(yīng)用領(lǐng)域1）大面積平板顯示──有源矩陣液晶顯示(ActiveMatrixLiquidCrystalDisplay,縮寫為AMLCD)2）電可擦除只讀存儲器(ROM)3）靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)4）線陣或面陣型圖像傳感器驅(qū)動電路第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日3.液晶顯示器1）驅(qū)動電壓和功耗低、體積小、重量輕、無X射線輻射等一系列優(yōu)點2）為了降低串擾，提高掃描線數(shù)，在每個像素上配置一個開關(guān)器件，形成有源矩陣液晶顯示，消除了像素間的交叉串擾第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日TFT有源矩陣的結(jié)構(gòu)第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日襯底：硅片、石英、玻璃為了降低成本，TFT采用廉價的襯底：玻璃玻璃的軟化點低于600℃，需PECVD等低溫沉積方法第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.1光電子器件光電子器件：光子擔任主要角色的電子器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，縮寫LED)半導(dǎo)體激光器（LaserDiode,縮寫LD）太陽能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電探測器：利用電子學(xué)方法檢測光信號第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.1固體中的光吸收和光發(fā)射Eg＝1.24/λ（eV）λ：波長，單位μmEg：禁帶寬度，單位eV第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日輻射躍遷和光吸收：在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過程：吸收、自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射圖8.1兩個能級之間的三種基本躍遷過程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日圖8.2半導(dǎo)體中的光吸收過程本征吸收：從價帶到導(dǎo)帶。如（a）、（b）非本征吸收：如（c）本征吸收的特點是吸收系數(shù)高：105～106cm－18.1.1固體中的光吸收過程第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.1.2固體中的光發(fā)射過程圖8.1兩個能級之間的三種基本躍遷過程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射激發(fā)過程：（a）發(fā)射過程：（b）、（c）（b）：自發(fā)輻射（c）：受激發(fā)射自發(fā)發(fā)射的種類：

1）光致發(fā)光；2）陰極射線發(fā)光；3）放射線發(fā)光；4）電致發(fā)光第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日帶間躍遷：a導(dǎo)帶底至價帶頂?shù)能S遷非本征躍遷：c、d、e；帶內(nèi)電子躍遷：f輻射效率（內(nèi)量子效率）：

ηr＝單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)/單位時間內(nèi)注入的非平衡載流子數(shù)第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日Eg＝hν＝

1.24/λ（eV）直接帶隙的發(fā)光效率比間接帶隙高第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日發(fā)光器件發(fā)光二極管（LED）：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光半導(dǎo)體激光器（LD）：在外界誘發(fā)的作用下，促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強、亮度高等特點8.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史1907年觀察到電流通過硅檢波器時發(fā)黃光現(xiàn)象1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象1955年觀察到III-V族化合物中的輻射1961年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光60年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進作用第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日擴散電流：（1）

包括電子擴散電流和空穴擴散電流空間電荷區(qū)復(fù)合電流：（2）

通常w＜＜Ln、Lp，所以耗盡區(qū)兩側(cè)Ln、Lp長度內(nèi)的擴散電流是導(dǎo)致二極管輻射復(fù)合的主要電流。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日外量子效率：從半導(dǎo)體中實際發(fā)射出的光子數(shù)占產(chǎn)生的總光子數(shù)的比例。GaAs的內(nèi)量子效率可達50％，而外量子效率僅1％左右。第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日InGaN藍色LED結(jié)構(gòu)圖第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日超高亮度LED的制法和特性注：

1.LPE（DH）液相外延（雙異質(zhì)結(jié)）2.LPMOCVD低壓金屬有機物化學(xué)氣相沉積3.TFMOCVD雙氣流金屬有機物化學(xué)氣相沉積第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個條件：通過施加偏壓等方法將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電子空穴對，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受激發(fā)射的電流密度閾值第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.4光電探測器光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件熱探測器光子探測器第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日熱探測器：利用探測元吸收入射光(通常是紅外光)產(chǎn)生熱量，引起溫度上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量

其中最常用的是電阻溫度效應(yīng)（熱電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶，熱電堆）和熱釋電效應(yīng)。熱探測器進行光電轉(zhuǎn)換的過程：探測器吸收光輻射引起溫度上升利用探測器的某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日光子探測器：利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動勢光子探測器的三個基本過程：光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子載流子在半導(dǎo)體中輸運并被某種電流增益機構(gòu)倍增產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號，從而完成對光子的探測第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.4.2光電導(dǎo)探測器光敏電阻：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成紫外光：硫化鎘（CdS）硒化鎘（CdSe）可見光：硫化鉈（TIS）硫化鎘（CdS）紅外光：硫化鉛（PbS）銻化銦（InSb）碲鎘汞（HgCdTe）碲錫鉛（PbSnTe）第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.4.3光電二極管1.PIN光電二極管

光電二極管實際上就是一個工作在反向偏置條件下的pn結(jié)，p-i-n光電二極管是最常用的光電探測器件I區(qū)：摻雜極輕的半導(dǎo)體，近似于本征半導(dǎo)體。增加耗盡區(qū)寬度，提高光電探測器的靈敏度。第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.雪崩光電二極管：在高的反向偏壓下，借助強電場作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)(即雪崩倍增效應(yīng))的一種高速光電器件

避免二極管擊穿是設(shè)計和制備雪崩光電二極管的關(guān)鍵第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日8.4.5CCD器件電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，簡稱CCD)：70年代初由美國貝爾實驗室研制成功的一種新型半導(dǎo)體器件CCD器件不同于其他器件的突出特點：以電荷作為信號，即信息用電荷量(稱為電荷包)代表，而其他器件則都是以電壓或電流作為信號的第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日CCD器件的應(yīng)用廣泛用于影像傳感、數(shù)字存儲和信息處理等三個領(lǐng)域，其中最重要的應(yīng)用是作為固態(tài)攝像器件，其次是作為存儲器件第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

新型可再生能源特別是太陽能，作為環(huán)保、可再生以及使用安全等優(yōu)勢將逐漸成為未來能源最主要的組成部分。光伏發(fā)電是太陽能利用的最佳方式之一。8.5半導(dǎo)體太陽能電池第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日光伏發(fā)電有無可比擬的優(yōu)點：（1）充分的清潔性；（2）絕對的安全性；（3）相對的廣泛性；（4）確實的長壽命和免維護性；（5）初步的實用性；（6）資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等。第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日吸收光輻射而產(chǎn)生電動勢，它是半導(dǎo)體太陽能電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個基本條件：半導(dǎo)體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個內(nèi)建電場所對應(yīng)的勢壘區(qū)第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日光照下P-N結(jié)光電效應(yīng)：第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽光的反射、pn結(jié)漏電流和寄生串聯(lián)電阻等第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、體單晶硅太陽能電池制備工藝第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日太陽能電池組件

組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒有好的封裝工藝，再好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。

1、電池檢測；2、正面焊接及檢驗；3、背面串接及檢驗；4、敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)）；5、層壓；6、去毛邊（去邊、清洗）；7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）；8、焊接接線盒；9、高壓測試；10、組件測試及外觀檢驗；11、包裝入庫敷設(shè)層次：玻璃、EVA、電池、EVA、TPT背膜

第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、體多晶硅太陽能電池制備工藝第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日AM:大氣質(zhì)量AM=p/p0sinθP0=1.013bar第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日序號公司名稱產(chǎn)量1無錫尚德327.02保定英利142.53河北晶奧113.24江蘇林陽88.05南京中電78.06蘇州阿特斯55.07寧波太陽能45.08常州天合光能37.09江蘇浚鑫35.010常州億晶30.0序號公司名稱產(chǎn)量11交大泰陽25.012無錫尚品17.013深圳拓日10.0(a-Si:8)14上海超日10.015上海太陽能科技8.016浙江向日葵光能8.017云南田達7.018杉杉尤利卡7.019北京中輕7.020深圳珈偉5.0其他公司產(chǎn)量：33.3（a-Si:20.3）合計：1088.0（a-Si:28.3）2007年產(chǎn)量大于20MWp的有35家公司，大陸及臺灣占14家。2007年我國太陽能電池產(chǎn)量（MWp/年）第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日國家和地區(qū)產(chǎn)量（MWp）比例（％）中國（ML）1088.027.2日本920.023.0德國810.020.25中國（TW）368.09.2美國266.16.65歐洲其他252.86.32世界其他295.157.38合計4000.051002007年不同國家和地區(qū)太陽能電池產(chǎn)量及份額第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日2007年不同國家和地區(qū)太陽能電池市場及份額國家和地區(qū)安裝量（MWp）份額（％）排序德國132846.991西班牙64022.652日本2308.143美國2207.184意大利200.715中國200.716韓國200.717法國150.538世界其他33311.78－總計2826100－第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日深圳國際園林花卉博覽園1MWp并網(wǎng)光伏系統(tǒng)第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日北京奧運國家體育館100KWp并網(wǎng)光伏系統(tǒng)施工現(xiàn)場第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日西藏羊八井100kWp光伏高壓并網(wǎng)電站第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2004年各種電池技術(shù)的市場份額第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體硅電池走向大規(guī)模應(yīng)用需要解決兩大難題

提高光電轉(zhuǎn)換效率降低生產(chǎn)成本

降低生產(chǎn)成本必須從材料入手。其關(guān)鍵是減少所用硅片的厚度，從而降低硅材料的消耗。

模擬表明，硅片厚度可降至幾個到幾十個微米，但此時薄膜厚度不能再自我支撐，需合適的襯底來支撐薄膜。

薄膜可通過各種方法沉積到低成本襯底上。這樣不僅降低了硅材料的消耗，還可避免晶化和切割等成本以及硅材料的損失。由此制作的晶體硅薄膜電池被看作是光伏第二代，被認為是未來光伏電池的主流產(chǎn)品。第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、硅薄膜太陽能電池薄膜電池的特點還表現(xiàn)為：由長光子產(chǎn)生的載流子在薄膜電池中容易在復(fù)合前收集到，可增大短路電流；如果忽略表面復(fù)合，由于薄膜電池中體復(fù)合遠小于晶硅電池，從而降低了飽和暗電流，因此薄膜電池可具有較高的開路電壓和填充因子，從而具有較高的電池轉(zhuǎn)換效率。

非晶硅(a-Si)屬直接轉(zhuǎn)換型半導(dǎo)體，具有光的吸收率較大，較容易制造厚度小于0.5微米、面積大于1平方米的薄膜，且易于制造對近紅外光高吸收的非晶硅鍺(a-SiGe)疊層光電池等諸多優(yōu)點，但非晶硅薄膜電池穩(wěn)定性差，在受到長時間光照后，光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)的性能均有所降低，從而影響了它的迅速發(fā)展。多晶硅薄膜電池既具有晶體硅電池的高效、穩(wěn)定、無毒和資源豐富的優(yōu)勢，又具有薄膜電池工藝簡單、重量輕、體積小、材料節(jié)省、成本大幅度降低以及光譜響應(yīng)范圍廣、靈敏度高等諸多優(yōu)點。從而為人們廣為研究。第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體硅薄膜電池目前主要集中于實驗室研究。1997年召開的第26屆IEEEPVSC、第14屆歐洲光伏科學(xué)與工程大會（PVSEC）和世界太陽能大會報道：

美國聯(lián)合太陽能系統(tǒng)公司（UnitedSolarSystem）薄膜硅太陽電池,轉(zhuǎn)換效率為16.6%

日本的Hanebo為9.8%

美國國家再生能源研究所（NREL）提供的測試結(jié)果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池,面積為903cm2，其轉(zhuǎn)換效率為10.2%，功率為912W。

2004年日本三洋電機報道的a-Si/μ-Si電池（厚度僅為2μm）效率為12.6％目前德國佛萊堡太陽能系統(tǒng)研究所（ISE）的以顆粒帶硅為襯底制備的薄膜電池效率為11.2％。多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀第五十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日根據(jù)統(tǒng)計，已有不少關(guān)于多晶硅薄膜制備技術(shù)的報道,如固相再結(jié)晶法，激光結(jié)晶法和金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法等。這些技術(shù)中有些要求很高的生長溫度，有些需要昂貴的設(shè)備且難于大面積制備，而有些工藝又較為復(fù)雜，這勢必阻礙太陽能電池的推廣使用。近年來隨著太陽能電池的迅速發(fā)展和需求，促進人們?nèi)ド钊胙芯慷嗑Ч璞∧さ母鞣N制備工藝，尋求在低廉的襯底材料上低溫(≤600℃)沉積多晶硅(poly－Si)薄膜。然而大量的實驗證實在低溫條件下，很難用SiH4氣體在一般的襯底材料上直接沉積到多晶硅薄膜。多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀第五十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀我國晶體硅薄膜電池的研究仍處于實驗室階段。1982年長春應(yīng)化所韓