半导体薄膜的应用PPT课件.ppt

物联网发展状况及核心技术 吕婷 任海龙 半导体薄膜的应用 1 主要应用领域 工业 能源 信息科学近几年发展趋势 传统电子工业 微电子 太阳能利用 半导体多相催化 光磁记录 半导体薄膜的应用 2 能量变换半导体薄膜和器件半导体薄膜传感器半导体薄膜集成光学器件 3 能量变换半导体薄膜和器件 定义 一次能量经过各种现象 效应 作用 反应等变为二次能量的形式 机械 热 电 磁 光 放射线 化学 太阳能 利用最普遍的是太阳能电池和太阳能热水器 其分类如下 光电变换薄膜材料热电变换薄膜材料超导薄膜器件 4 光子照射至半导体上使价带电子得能量到导带 产生电子空穴对 在PN结内电场作用下产生光生电动势 5 2 热电变换薄膜材料 热电现象半导体材料比金属明显 热电发电材料中 依其工作温区分为 低温区 500K Bi2Te3 ZnSb 中温区 500 900K PbTe 高温区 900K以上 CrSi2 FeSi2 CoSi 主要物质有硫属化合物系材料 过度金属硅化物 Fe Six系材料 硅锗系材料 硼系材料及非晶态材料等 6 3 超导薄膜器件 举例 钙钛矿系氧化物超导体薄膜及大型单晶 7 半导体薄膜传感器 所谓传感器 是指可接受外界信息 刺激 如光 热 磁 压力 加速度 温度 环境气氛等 并能在体系能变换可处理信号的器件 常用材料 8 半导体薄膜集成光学器件 集成光波导和光学器件集成光学器件中用来传输光信号的基本元件是光波导 其基本形式由衬底 光的传输层以及反射层三层结构组成 9 集成光学器件材料集成光路用材料的要求 1 具有某些功能 或者不仅能产生光 接收光 传输光 和控制光 而且还能制作各种回路 前者可以做成单功能或某些功能的集成光路 后者可以在同一基板上做成多功能的光电集成回路 2 材料要具有一定的折射率 光波导的折射率比基板的折射率高大约10 3 10 1 3 材料做成薄膜光波导后 在使用波长范围内的传输损耗必须小于1dB cm 4 便于制作波导及器件 所制成的元件在外界各种工作环境下性能稳定 10 所用材料分三类 以GaAs为基础形成的光电子材料 包括AlGaAs InP GaInAsP等 他们是制作光电子器件常用的材料 以LiNbO3钙钛矿结构为代表的具有特殊电光性质的单晶材料 波导形成方法 外扩散 内扩散 离子注入 质子交换等 包括各种多晶和非晶态物质 如氧化物 玻璃 聚合物等主要器件 光波导相位调制器 强度调制器 开关网络 模式转换器 滤波器 波分复用器 声光频谱分析器 模数转换器 数模转换器 倍频器 多种传感器 11 2020 1 7 12 半导体金属薄膜的应用 在半导体材料上特定部位以物理或化学手段镀以金属膜 以改良其某方面特性 光伏技术中的应用 光解水中的应用 电化学照相中的应用 电子及微电子工业中的应用 目前认为半导体 金属薄膜的应用主要有以下几个方面 13 光伏技术中的应用 光解水中的应用 电化学照相中的应用 电子及微电子工业中的应用 14 主要特点 栅线埋藏在激光刻槽内 并用金属包裹光电转化效率 17 金属化系统的两个主要作用 1 形成低阻层 对硅有较高的粘附作用2 对电池产生的电流输出提供高电导率通道 成本低廉 仅为硅太阳能电池的1 5 1 10 寿命可达到15年转化效率 10 主要构成部分 镀有透明导电胶的导电玻璃 多孔纳米TiO2膜 染料光敏化剂 电解质 铂电极在作为光阴极的导电膜SnO2上镀Pt 15 光伏技术中的应用 光解水中的应用 电化学照相中的应用 电子及微电子工业中的应用 16 光能 特别是太阳能 可用于进行某些化学反应使光能转换为化学能 在这方面 人们特别感兴趣的是光解水及光助电解水 因为水是廉价的 而氢是方便的燃料和工业资源 然而 半导体电极普遍存在着在水溶液中和光照条件下非常不稳定的问题 为此 已建议在不稳定的半导体表面覆盖金属薄膜这些薄膜将对光是透明的 并能保护电极不受分解 将贵金属Pt Ru Rh Pd沉积在半导体GaP Si InP TiO2 CdTe WSe GaInPAs的表面上 当厚度约为10 20nm时 远小于载流子的平均自由程 这样的电极可以起到稳定半导体电极的作用 同时透过薄膜到达半导体 金属界面的光强基本上不降低 在研究工作中还发现 镀覆金属的半导体材料 还有可能对光解析氢具有明显催化作用 p型GaP表面镀覆极少量 单层数量级 的银 金或铂 可大大降低析氢过电位 过电位的降低是因为金属吸附氢以后 使其功函数下降 金属膜的组成和分布是决定催化性能的关键 金属岛状分布的贵金属有较好的催化性能 其中以W Pt Pd为最优 17 光伏技术中的应用 光解水中的应用 电化学照相中的应用 电子及微电子工业中的应用 18 传统的照相材料 卤素 是借助物理显影来成像的 物理显影一般包括金属在照相底版上的催化沉积 其中显影中心是形成晶体的晶种 为了用廉价金属代替贵金属银 通常利用金属在半导体上的光电化学沉积 这样就形成了常用的两种方法 一种是使半导体 电解液界面在 极限电流 的条件下工作 当光学图象投射电极表面时 光照部分的少子浓度和反应速度都增加 在p型样品中可加速金属的阴极电沉积 而在n型样品中则加速阳极反应 例如加速Pb2 的氧化和在表面生成有色泽的PbO2层 作为照相底版常采用PbSe PbS Si和GaP等 另一种方案是利用电解液中半导体电极表面的光照和无光照部分之间所产生的电势差 由于表面的不均匀光照 而形成的局部阳极和阴极 同样也能导致金属在表面的不均匀沉积 19 光伏技术中的应用 光解水中的应用 电化学照相中的应用 电子及微电子工业中的应用 20 目前 通过在n Si上镀覆Ti Mo Cr W等金属膜 制作出了在1 100A的电流范围内 起始电压仅0 5V左右的大功率整流用肖特基二极管 在功率相同时 肖特基二极管内部消耗的功率只有pn结二极管的一半 另外 在3 30GHz微波波段 甚至频率更高的毫米波段 亚毫米波段的无线电通讯 以及激光 脉冲调制电路等领域 都要使用pn结二极管及肖特基二极管 要制作在如此高的频率范围下使用的 损耗很小的二极管 应当设法减小寄生电容及电阻 因此 必须制作接