非晶 有机 和微结构半导体材料.ppt

1,物理与电子学院,第七章非晶、有机和微结构半导体材料,2,7.1非晶半导体材料7.2有机半导体材料7.3微结构半导体材料,3,7.1非晶半导体材料,7.1.1非晶的概念(amorphous)7.1.2非晶半导体的基本性质7.1.3非晶硅的应用,4,材料的状态,材料的主要状态,晶体crystal,准晶体Quasi-crystal,非晶体amorphous,液体,气体,固体,低温制备,高温制备,5,7.1非晶的概念,与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。在上述定义下，玻璃态、无定形和非晶态这些概念含义相同。具有特定转变温度的非晶固体才称为玻璃态,6,材料各种状态的主要特征,7,用来描述非晶硅的结构模型很多，给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。,8,在非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所，所以，一般说，非晶硅是不适于做电子器件的。,非晶态的形成,9,10,7.1.2非晶半导体的基本性质,（1）能带模型（2）直流电导率（3）光学性质,11,（1）能带模型,Mott-CFO模型：短程有序基本能带长程无序定域态带尾悬挂键带隙中间形成隙态,12,晶体半导体,非晶半导体,非晶体能带特点,1）存在定域态带尾2）存在隙态,13,晶体硅中的跃迁,晶体硅中施主杂质电离时直接向导带底释放一个电子参与导电,14,钉扎效应,非晶硅中施主杂质电离时，电子首先释放给隙态中未满的空能级隙态能态密度越高，填充隙态所需施主杂质浓度越高虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有效的移动费米能级。对于这种费米能级难以移动的情况，称为高浓度隙态的钉扎效应,所以，替位式掺杂对于存在钉扎效应的样品不起作用,Ex,Ey,15,如何提高电导率？,替位式掺杂：不行,提高电导率？,高浓度隙态,高浓度悬空键,低浓度悬空键,低浓度隙态,产生掺杂效应,替位式掺杂：可行？,16,氢补偿悬空键,如何补偿悬挂键？,引入重配位的原子：H或F,隙态密度降低,隙态密度1020cm3eV,补偿前能带结构示意图,补偿后能带结构示意图,17,掺杂对电导能否有贡献,隙态密度,杂质原子所处配位态,P掺入三配位的位置，将没有电子释放给带隙态Ex，不能改变电子填充的隙态的水平、升高费米能级。,18,（2）直流电导率,非晶半导体中载流子输运是一种弥散输运长程无序,弥散输运两种机制,a多次陷落机制b跳跃机制,19,a多次陷落机制,注入的载流子不仅有扩散运动还会陷落到带尾定域态中陷落后，只有被热激发才能再次参与输运因此，载流子在运动过程中往往要经历多次陷落和再激发，形成了弥散输运,20,b跳跃机制,定域态之间的隧穿跳跃也可能形成载流子输运定域态之间的空间距离也是随机分布的，形成了弥散输运,21,非晶半导体的总直流电导率,扩展态中的电导,带尾定域态中的电导,带隙定域态中的近程跳跃电导,带隙定域态中的变程跳跃电导,总电导,22,（3）光学性质,晶体半导体直接跃迁和间接跃迁满足能量守恒和动量守恒间接跃迁时需要声子的参与,非晶半导体电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波矢,23,a光吸收,非晶半导体的光吸收谱一般具有明显的三段式特征：A区：近红外区的低能吸收，吸收系数a随光子能量的变化趋于平缓B区：吸收系数a随着光子能量增加而指数性上升；对应于电子从价带边扩展态到导带尾定域态，以及电子从价带尾定域态到导带边扩展态的跃迁C区：本征吸收区；电子从价带到导带的跃迁；吸收系数a在104cm-1以上,C区，在可见光范围内，非晶硅的吸收系数大于单晶硅的吸收系数，显示了非晶硅在光电方面的应用前景,光子能量,吸收系数,24,光学带隙（opticalbandgap）,对于非晶半导体材料来说，光学带隙：,B（hvEopt）2,B（hvEopt）2,对于晶体半导体材料来说，光学带隙：,B（hvEopt）1/2,直接跃迁Directiontransition,间接跃迁Indirectiontransition,25,b光电导,S-W效应，又称为光致退化效应，是Staebler和Wronski在1977年发现的非晶硅样品经过一段时间光照后，其光电导和暗电导都显著下降，将样品经过热处理后，样品又恢复到原来的状态,26,7.1.3非晶硅的优点,很好的光学性能，很大的光吸收系数可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的pn结和多层结构，易形成异质结通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学带隙可在较低温度下，采用化学气相沉积等方法进行制备薄膜生产过程相对简单,27,非晶硅的缺点,1.缺乏长期稳定性，处于非平衡态，所制备器件存在性能退化，比如S-W效应2.载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件；但可用于低功耗产品中,28,最主要应用非晶硅太阳能电池,1、非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75m的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1m厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。,29,2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、制备非晶硅的工艺和设备简单，沉积温度低，时间短，适于大批生产。,30,4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以沉积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。5、制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。,31,非晶太阳能电池的结构,单个电池的结构,在单个电池之间建立串联连接结构,32,非晶太阳能电池的发展,自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，当时的转换效率不到1%。1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。,33,1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。,34,7.2有机半导体材料,7.2.1分类和基本性质7.2.2能带组成,35,1有机半导体材料分类和基本性质,单分子固体：束缚激子给体受体型电荷转移固体：含有两类不同小分子。分子对之间允许发生电荷转移共轭聚合物：极子,A,0,B,拓扑学孤子,36,2.能带组成,有机半导体带隙：分子最高占据态轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）之间的能量差,无机半导体带隙：价带（VB）和导带（CB）之间的能量差,37,应用特点,有机半导体的应用特点,1）环境不敏感，操作环境宽松2）加工简单3）易制备大面积材料，薄膜有柔性、可弯曲4）易于调节材料的电学、光学性能5）易于制备有机/有机,有机/无机异质结材料,38,有机发光二极管（OLED）,太阳电池,有机半导体材料的应用,39,7.3微结构半导体材料,40,41,42,43,44,超晶格（耦合的多量子阱）：如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。,多量子阱：由2种不同半导体材料薄层交替生长，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，称为多量子阱。,量子阱与超晶格的区别,超晶格,量子阱,45,超晶格的分类,46,47,48,49,50,组分超晶格,组分超晶格：有两种不同的半导体所组成的超晶格材料,第一类I型,第二类错开型II型,第二类不对称型,第三类,51,带隙差电子和空穴都限制在GaAs中，跃迁几率大。,第一类,AlGaAs,GaAs,52,第二类错开型,第二类不对称型,带隙差,电子和空穴分别限制在两种材料中。人工设计适合某种特定应用的小带隙半导体和半金属材料。,A,A,B,B,53,有效带隙可通过改变超晶格周期加以调整，使其在0-1.6eV之间变化。由于调节厚度比调节组分容易，所以HgTe/CdTe超晶格很适合作为重要的三元固溶体Hg1-xCdxTe的替代材料而用于制备3-5m、8-12m这些重要大气窗口的探