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厚薄膜材料与器件 第四章新型半导体薄膜材料及器件.ppt

1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 新型半导体薄膜材料及器件,新型半导体薄膜材料以非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜为代表,在发光、存储、传感、显示、能源等领域有广泛的用途。,新型半导体薄膜器件正向高效率、长寿命、低价格、高集成等方向发展。,新型半导体薄膜器件的发展以微电子学微基础。,第一节 硅基非晶态半导体薄膜,非晶硅(,amorphous silicon,),简称,a-Si,,,是当前非晶半导体材料及器件研究的重点和核心。,其可用作大面积、高效率太阳能电池材料,大屏幕液晶显示器和平面显示器,,a-Si,传感器和摄像管,非晶电致发光器件等

2、对非晶半导体的研究不仅在新材料、新器件和新工艺方面具有重要意义,而且对进一步认识固体理论中的许多问题也会产生深远影响。,特点,结构上,非晶半导体的组成原子排列呈长程无序状态,但原子间的键合力十分类似于晶体,即其结构上表现为长程无序、短程有序。因而在能带结构上是定域化的,,即电子的迁移率变得十分小,室温下电阻率很高,。,可通过改变组分,实现物性的连续变化,,包括密度、相变温度、电导率、禁带宽度等。,在热力学上处于亚稳态,在一定条件下可转变为晶态。,材料结构、电学及光学性质都十分灵敏地依赖于制备条件与制备方法,因而性能重复性较差。,物理性能各向同性,无周期性结构约束。,容易形成大面积均一性好的

3、薄膜。,a-Si,中一般存在大量氢,常称氢化非晶硅,,(a-,Si:H,),Study by Fluctuation electron 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 i

4、maging conditions.(b)is large,and varies significantly with the imaging conditions.,Density of states as a function of energy for a-Si and a-,Si:H,非晶硅在微电子硅材料中所占比例,非晶硅结构,制备方法,非晶态半导体薄膜制备的技术关键在于避免材料的成核和晶化。通常采用快速冷却的方式。,不同的材料成核和结晶的能力不同,其制备的冷却速率也不一样。,易于实现高冷却速率的制备方法主要有:,真空蒸发沉积法、辉光放电化学气相沉积法、溅射沉积法、热丝化学气相沉积法、

5、微波回旋共振化学气相沉积,等。,SiH,4,的分解过程,辉光放电分解,要使,SiH,4,气体和稀释气体,H,2,分解,需要一定的能量:,H,2,H+H,SiH,4,Si,2H,2,SiH,4,SiH,H,2,H,SiH,4,e(,高速,)SiH,4,*,e(,低速,),SiH,4,*,Si,*,2H,2,4.6eV,4.4eV,5.9eV,Schematic concept for the dissociation processes of SiH,4,and H,2,molecules to a variety of chemical species in the plasma throug

6、h their electronic-excited states.,生长机理,生成,a-,Si:H,薄膜的主要反应是:,SiH,(,气,),H(,气,),Si(,固,),H,2,(,气,),其次,可能出现的反应有:,SiH,(,气,),SiH,(,固,),SiH,(,气,),H(,气,),SiH,2,(,固,),氢一方面是形成,a-,Si:H,薄膜的重要反应物,同时其又可能破坏反应生成表面,存在:,Si(,固,),H(,气,),SiH,(,气,),这将消除薄膜表面上弱的,Si,Si,键,重新建立起较稳定的,Si,Si,键合。,生长设备,ECR-CVD system,The“hot wire”

7、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 at 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

8、nm.,性能,Some properties of a-,Si:H,and a-,SiGe:H,a-Si,薄膜的应用,DEVICE,PRODUCTS,Photovoltaic,cell,Photovoltaic modules,Calculators,watches,battery chargers,etc,Photoreceptor,Electrophotography,LED printers,Photoconductor,Colour sensors,light sensors,etc.,Image sensor,Contact-type image sensors,electronic

9、 white boards.,Solar control layer,Heat-reflecting float glass.,Thin-film field-effect transistor,Displays,television,logic circuits for image sensors.,High-voltage thin-film transistor,Printers.,太阳能电池,太阳能电池薄膜制式调查,太阳能电池 工作原理,p-i-n amorphous silicon solar cell,i,层为本征层,是核心部分,是光生载流子的产生区。,Band diagram o

10、f a-,SiGe:H,TCO:Transparent electrode IL:Insulation film SUS:Stainless steel substrate,太阳能电池结构,PIN,光电二极管,The,pin,diode structure,Cartoon illustrating the principal parameters used in modeling,photocarriers,in semiconductors.,bandedge,level energies,E,C,and,E,V,bandgap,E,G,interband,photocarrier,gene

11、ration,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,光电二极管的应用,PIN,光电二极管的应用领域很广,主要用作:,通讯用光电探测器、光接收器;,各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和,RF,领域的高速开关;,各种家电遥控器的接收管,(,红外波段,),、,UHF,频带小信号开关、收音机,BC,频带到

12、1000MHZ,之间电流控制可变衰减器等。,可见光,/,红外探测器,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-wavelength region of the spectrum radiatio

13、n 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 carriers photo-generated in the a-,Si

14、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,integrated into a miniaturized package.,Materi

15、al: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,在液晶显示器中的应用,ITO Electrode,(,a,),AMLCD,截面;(,b,),AMLCD,显示元结构,在,TFT,元件的

16、应用,a-Si TFT,元件制备工艺流程,A researcher works on a commercial lithography machine,which is a microcircuit manufacturing device.,a-,Si:H,TFTs,液晶显示器截面结构示意图,第二节 多晶硅和微晶硅薄膜,尽管,a-,Si:H,薄膜在光学方面有很大的优点,但在电学性质方面因载流子的迁移率低,极大地限制其应用。因而发展氢化微晶硅(,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优良性质,可在低温下大面积生长,容易进行掺杂,可制作欧

17、姆接触层,具有较高的电导率,等等。,c-Si:H,薄膜的生长方法,基于高氢气稀释比、高功率密度的,PECVD,技术;,用氢等离子体退火处理,a-,Si:H,薄膜;,电子回旋共振等离子体沉积技术;,热丝或催化,CVD,沉积技术。,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 pump port.The subs

18、trate holder is optionally heated using the external heater.,热丝,CVD,c-Si:H,薄膜生长机理,Si,(,固体,),SiH,4,SiH,x,SiH,n,扩散,粒子,H,H,e,SiH,4,SiH,4,Si,m,H,等离子体,1,2,c-Si:H,从,a-,Si:H,相中成核相,Schematic diagram of solid phase crystallization of amorphous silicon by thin film heater.,多晶硅电镜照片,晶界模型,多晶硅的应用,太阳能电池,Thin Solid

19、 Films 451452(2004)455465,太阳能电池,IV-characteristics of a solar cell,Solar Energy Materials&Solar Cells 81(2004)141,Thin-film transistors,(,TFTs,),top-gate(TG),TFTs,(TEM image),Linear transfer characteristics of,TFTs,with PECVD a-,SiN:H,gate insulator,Linear transfer characteristics of a TG TFT with HWCVD poly-Si layer,思考题,非晶硅材料有哪些主要特点?,分析非晶硅薄膜的生长机理。,非晶硅薄膜主要应用于哪些元器件中?,多晶硅与非晶硅的主要区别是什么?,

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