非晶 有机 和微结构半导体材料

1、1物理与电子学院物理与电子学院第七章 非晶、有机和微结构半导体材料2v7.1 非晶半导体材料非晶半导体材料v7.2 有机半导体材料有机半导体材料v7.3 微结构半导体材料微结构半导体材料37.1 非晶半导体材料非晶半导体材料v7.1.1 非晶的概念非晶的概念(amorphous)v7.1.2 非晶半导体的基本性质非晶半导体的基本性质v7.1.3 非晶硅的应用非晶硅的应用4材料的状态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57.1 非晶的概念非晶的概念v 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

2、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。v 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。v 所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。v 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材料各种状态的主要特征材料状态热力学稳定性原子排列短程有序长程有序平移对称性晶体稳定是是有准晶体亚稳定是无非晶体非平衡是不是无液体稳定是不是无气体稳定不是不是无7v 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。v 可以看出，在任

3、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。8v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。非晶态的形成非晶态的形成9107.1.2 非晶半导体的基本性质非晶半导体的基本性质v（1）能带模型）能带模型v（2）直流电导率）直流电导率v（3）光学性质）光学性质11（1）能带模型）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EcEv定域态带尾定域态带尾隙态隙态12EcEv晶体半导体非晶半导

4、体EcEv定域态带尾定域态带尾隙态隙态非晶体能带特点1）存在定域态带尾2）存在隙态13晶体硅中的跃迁EVEv晶体半导体NDv晶体硅中v施主杂质电离时直接向导带底释放一个电子参与导电14钉扎效应钉扎效应v 非晶硅中非晶硅中v 施主杂质电离时，电子首先释放给隙态施主杂质电离时，电子首先释放给隙态中未满的空能级中未满的空能级v 隙态能态密度越高，填充隙态所需施主隙态能态密度越高，填充隙态所需施主杂质浓度越高杂质浓度越高v 虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有效的移动费米能级。效的移动费米能级。 对于这种费米能级难以移动的情况，称为对于这种费米能级难以移动的情况，称为高

5、浓度隙态的钉扎效应高浓度隙态的钉扎效应ECEv非晶半导体EF所以，替位式掺杂对于存在钉扎效应的样品不起作用ExEy15如何提高电导率？如何提高电导率？替位式掺杂：不行提高电导率？提高电导率？高浓度隙态高浓度悬空键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氢补偿悬空键氢补偿悬空键如何补偿悬挂键？引入重配位的原子：H或FECEvEF隙态密度降低隙态密度隙态密度1020 cm3 eVECEvEF成键态反键态隙态密度将为隙态密度将为1016 cm3 eV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

6、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）直流电导率v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19a 多次陷落机制多次陷落机制v 注入的载流子不仅有扩散运动v 还会陷落到带尾定域态中v 陷落后，只有被热激发才能再次参与输运v 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ECEvEF成键态反键态隙态密度将为隙态密度将为1016 cm3 eV20b 跳跃机制跳跃机制v 定域态之间的隧穿跳跃也可能形成载流子输运v 定域态之间的空间距离也是随机分布的，形成了弥散输运ECEvEF21非晶半导体的总

7、直流电导率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）光学性质v 晶体半导体晶体半导体v 直接跃迁和间接跃迁直接跃迁和间接跃迁v 满足能量守恒和动量满足能量守恒和动量守恒守恒v 间接跃迁时需要声子间接跃迁时需要声子的参与的参与v 非晶半导体非晶半导体v 电子跨越禁带时的跃迁没有直电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别接跃迁和间接跃迁的区别v 电子跃迁时不再遵守动量守恒电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则的选择定则v 非晶结构上的无序使非晶半导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体中

8、的电子没有确定的波矢23a 光吸收光吸收v 非晶半导体的光吸收谱一般具有明显的三段式特征：v 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v 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v 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ABC非晶硅单晶硅C C区，在可见光范围内，非区，在可见光范围内，非晶硅的吸收系数大于单晶硅晶硅的吸收系数大于单晶硅的吸收系数，显示了非晶硅的吸收系数，显示了非晶硅在光电方面的应用前景在光电方面的应用前景光子能量吸收系数24光学带隙（光学

9、带隙（optical band gap）v 对于非晶半导体材料来说，光学带隙： B（hvEopt）2 B（hvEopt）2v 对于晶体半导体材料来说，光学带隙： B（hvEopt）1/2直接跃迁Direction transition间接跃迁Indirection transition 25b 光电导光电导vS-W效应，又称为光致退化效应，是Staebler和Wronski在1977年发现的v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267.1.3 非晶硅的优点非晶硅的优点1. 很好的光学性能，很大的光吸收系数2. 可实现高浓度掺杂，也

10、能制备高质量的pn结和多层结构，易形成异质结3. 通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学带隙4. 可在较低温度下，采用化学气相沉积等方法进行制备薄膜5. 生产过程相对简单27非晶硅的缺点非晶硅的缺点v1. 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v2. 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最主要应用非晶硅太阳能电池v1、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。v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1 m厚）就能吸

11、收90%有用的太阳能。v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。29v2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0 eV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。v3、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。30v4、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。v5、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非晶太阳能

12、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非晶太阳能电池的发展v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。v1976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%。v1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。v1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。33v1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池v1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。v1982年：市场上开始出现装有非

13、晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。v1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。347.2 有机半导体材料有机半导体材料v7.2.1 分类和基本性质v7.2.2 能带组成351 有机半导体材料分类和基本性质有机半导体材料分类和基本性质v单分子固体：束缚激子v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v共轭聚合物：极子A0B拓扑学孤子362. 能带组成能带组成v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v无机半导体带隙： 价带（VB）和导带（CB）之间的能量差37应用特点应用特点v有机半导体的应用特点有

14、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397.3 微结构半导体材料微结构半导体材料4041424344超晶格（耦合的多量子阱）：如果势垒层超晶格（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量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关

15、，这样的多层结构称为超势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。晶格。多量子阱：由多量子阱：由2种不同半导体材料薄种不同半导体材料薄层交替生长，如果势垒层足够厚，以层交替生长，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。合很小，称为多量子阱。量子阱与超晶格的区别量子阱与超晶格的区别超晶格超晶格量子阱量子阱45超晶格的分类超晶格的分类4647484950组分超晶格组分超晶格v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ECEVE

16、CEVECEVECEV51带隙差电子和空穴都限制在GaAs中，跃迁几率大。第一类ECEVAlGaAsGaAsEvEcEg52第二类 错开型ECEV第二类 不对称型ECEVEv-EcEg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。AABB53 有效带隙可通过改变超晶格周期加以调整，使其在有效带隙可通过改变超晶格周期加以调整，使其在0-1.6 eV之间变化。之间变化。 由于调节厚度比调节组分容易，所以由于调节厚度比调节组分容易，所以HgTe/CdTe超晶格超晶格很适合作为重要的三元固溶体很适合作为重要的三元固溶体Hg1-xCdxTe的替代材料而的替代材料而用于制备用于制备3-5m、 8-12m这些重要大气窗口的探测器这些重要大气窗口的探测器件。件。第三类ECEVHgTeCdTe54超晶格的制备超晶格的制备v制备超晶格的主要超薄层半导体材料生长技术有分子制备超晶格的主要超薄层半导体材料生长技术有分子束