厚薄膜材料與器件新型半導(dǎo)體薄膜材料及器件第1頁(yè)/共50頁(yè)

特點(diǎn)結(jié)構(gòu)上，非晶半導(dǎo)體的組成原子排列呈長(zhǎng)程無(wú)序狀態(tài)，但原子間的鍵合力十分類(lèi)似于晶體，即其結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序。因而在能帶結(jié)構(gòu)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(guò)改變組分實(shí)現(xiàn)物性的連續(xù)變化，包括密度、相變溫度、電導(dǎo)率、禁帶寬度等。第2頁(yè)/共50頁(yè)在熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。材料結(jié)構(gòu)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)都十分靈敏地依賴(lài)于制備條件與制備方法，因而性能重復(fù)性較差。物理性能各向同性，無(wú)周期性結(jié)構(gòu)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(chēng)氫化非晶硅，(a-Si:H)第3頁(yè)/共50頁(yè)StudybyFluctuationelectronmicroscopyQualitativepictureofvarianceofthediffractedintensityfrom:(a)acompletelyrandomcollectionofatomsand(b)asampleconsistingofrandomlyorientedorderedclusters.

(a)issmallandshowslittledependenceontheimagingconditions.

(b)islarge,andvariessignificantlywiththeimagingconditions.第4頁(yè)/共50頁(yè)Densityofstatesasafunctionofenergyfora-Sianda-Si:H第5頁(yè)/共50頁(yè)非晶硅在微電子硅材料中所占比例第6頁(yè)/共50頁(yè)非晶硅結(jié)構(gòu)第7頁(yè)/共50頁(yè)

制備方法非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜制備的技術(shù)關(guān)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(jié)晶的能力不同，其制備的冷卻速率也不一樣。易于實(shí)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(xué)氣相沉積法、濺射沉積法、熱絲化學(xué)氣相沉積法、微波回旋共振化學(xué)氣相沉積等。第8頁(yè)/共50頁(yè)SiH4

的分解過(guò)程

輝光放電分解要使SiH4氣體和稀釋氣體H2分解，需要一定的能量：H2H+HSiH4Si＋2H2SiH4SiH＋H2

＋HSiH4

＋e(高速)SiH4*

＋e(低速)SiH4*Si*

＋2H24.6eV4.4eV5.9eV第9頁(yè)/共50頁(yè)SchematicconceptforthedissociationprocessesofSiH4andH2moleculestoavarietyofchemicalspeciesintheplasmathroughtheirelectronic-excitedstates.第10頁(yè)/共50頁(yè)

生長(zhǎng)機(jī)理生成a-Si:H薄膜的主要反應(yīng)是：SiH(氣)＋H(氣)Si(固)＋H2(氣)其次，可能出現(xiàn)的反應(yīng)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(yīng)物，同時(shí)其又可能破壞反應(yīng)生成表面，存在：Si(固)＋H(氣)SiH(氣)這將消除薄膜表面上弱的Si－Si鍵，重新建立起較穩(wěn)定的Si－Si鍵合。第11頁(yè)/共50頁(yè)

生長(zhǎng)設(shè)備ECR-CVDsystem第12頁(yè)/共50頁(yè)The“hotwire”depositionsystem,whichshowsgreatpromiseforproducingamorphoussiliconPVdevices第13頁(yè)/共50頁(yè)

薄膜的表面形貌AFMimagesofa-SifilmatdifferentHconcentrationsintheprocessgas,(a)0%;(b)20%and(c)49%.Thesefilmswerepreparedby2ECRplasmasputteringatroomtemperature,onquartz.Thicknessoffilmswas500nm.第14頁(yè)/共50頁(yè)

性能Somepropertiesofa-Si:Handa-SiGe:H第15頁(yè)/共50頁(yè)a-Si薄膜的應(yīng)用DEVICEPRODUCTSPhotovoltaiccellPhotovoltaicmodules,Calculators,watches,batterychargers,etcPhotoreceptorElectrophotography,LEDprintersPhotoconductorColoursensors,lightsensors,etc.ImagesensorContact-typeimagesensors,electronicwhiteboards.SolarcontrollayerHeat-reflectingfloatglass.Thin-filmfield-effecttransistorDisplays,television,logiccircuitsforimagesensors.High-voltagethin-filmtransistorPrinters.

第16頁(yè)/共50頁(yè)

太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池薄膜制式調(diào)查第17頁(yè)/共50頁(yè)太陽(yáng)能電池

工作原理p-i-namorphoussiliconsolarcelli層為本征層，是核心部分，是光生載流子的產(chǎn)生區(qū)。第18頁(yè)/共50頁(yè)Banddiagramofa-SiGe:H第19頁(yè)/共50頁(yè)TCO：TransparentelectrodeIL：InsulationfilmSUS：Stainlesssteelsubstrate第20頁(yè)/共50頁(yè)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)第21頁(yè)/共50頁(yè)P(yáng)IN光電二極管Thepin

diodestructure第22頁(yè)/共50頁(yè)Cartoonillustratingtheprincipalparametersusedinmodelingphotocarriersinsemiconductors.

bandedgelevelenergiesECandEV,bandgapEG,interbandphotocarriergenerationG,electronandholemobilitieseandhanddensitiesnandp,andelectron–holerecombinationR.第23頁(yè)/共50頁(yè)a-Sip-i-ndiodeI-Vcurveunderdifferentilluminationintensities第24頁(yè)/共50頁(yè)P(yáng)IN光電二極管的應(yīng)用PIN光電二極管的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要用作：通訊用光電探測(cè)器、光接收器；各種通信設(shè)備收發(fā)天線(xiàn)的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)；各種家電遙控器的接收管(紅外波段)、UHF頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)、收音機(jī)BC頻帶到1000MHZ之間電流控制可變衰減器等。第25頁(yè)/共50頁(yè)可見(jiàn)光/紅外探測(cè)器Thedevicebehaveslikeaback-to-backdiode.Theappliedvoltageforwardbiasesonediodeandreversebiasestheotherone.Thevisiblespectrumoftheimpinginglightisabsorbedbytheamorphouslayersandonlythelong-wavelengthregionofthespectrumradiationreachesthec-Sijunction.Thenthemeasuredcurrentisduetothecarriersphotogeneratedinthep-dopedcrystallinematerial,wheretheymovebydiffusion.Ontheotherside,whentheamorphousp-i-ndiodeisreverselybiasedthemeasuredcurrentisduetothecarriersphoto-generatedinthea-Si:Hintrinsiclayerwheretheymovebydrift.Short-wavelengthlightisthendetected.SensorsandActuatorsA88(2001)139-145第26頁(yè)/共50頁(yè)UncooledIRfocalplanearraya320x240pixelarraywithapitchof45m.asinglestagethermoelectrictemperaturestabilizer,integratedintoaminiaturizedpackage.Material:Resistiveamorphoussilicon.第27頁(yè)/共50頁(yè)Ahistogramplotofthesensitivityofacomponentpolarizedwith3VoltsThemeanvalueofthesensitivityisabout9,6mV/Kwithanonuniformity(standarddeviation/meanvalue)of1.5%.第28頁(yè)/共50頁(yè)Thermographs第29頁(yè)/共50頁(yè)

在液晶顯示器中的應(yīng)用ITOElectrode（a）AMLCD截面；（b）AMLCD顯示元結(jié)構(gòu)第30頁(yè)/共50頁(yè)

在TFT元件的應(yīng)用第31頁(yè)/共50頁(yè)a-SiTFT元件制備工藝流程第32頁(yè)/共50頁(yè)Aresearcherworksonacommerciallithographymachine,whichisamicrocircuitmanufacturingdevice.第33頁(yè)/共50頁(yè)a-Si:HTFTs液晶顯示器截面結(jié)構(gòu)示意圖第34頁(yè)/共50頁(yè)第35頁(yè)/共50頁(yè)第二節(jié)多晶硅和微晶硅薄膜盡管a-Si:H薄膜在光學(xué)方面有很大的優(yōu)點(diǎn)，但在電學(xué)性質(zhì)方面因載流子的遷移率低，極大地限制其應(yīng)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(zhì)，可在低溫下大面積生長(zhǎng)，容易進(jìn)行摻雜，可制作歐姆接觸層，具有較高的電導(dǎo)率，等等。第36頁(yè)/共50頁(yè)

c-Si:H薄膜的生長(zhǎng)方法基于高氫氣稀釋比、高功率密度的PECVD技術(shù)；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(shù)；熱絲或催化CVD沉積技術(shù)。第37頁(yè)/共50頁(yè)Schematiccross-sectionofahot-wiredepositionchamberatUtrechtUniversity.Itbasicallycontainsasubstrateholder,ashutter,ahot-wireassembly,agasinletandapumpport.Thesubstrateholderisoptionallyheatedusingtheexternalheater.熱絲CVD第38頁(yè)/共50頁(yè)c-Si:H薄膜生長(zhǎng)機(jī)理Si(固體)SiH4SiHxSiHn擴(kuò)散粒子－HHeSiH4[SiH4]Si＋m[H]等離子體12第39頁(yè)/共50頁(yè)c-Si:H從a-Si:H相中成核相第40頁(yè)/共50頁(yè)Schematicdiagramofso