厚薄膜材料与器件新型半导体薄膜材料及器件

厚薄膜材料与器件新型半导体薄膜材料及器件第1页/共50页

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。第2页/共50页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薄膜。a-Si中一般存在大量氢，常称氢化非晶硅，(a-Si:H)第3页/共50页StudybyFluctuationelectronmicroscopyQualitativepictureofvarianceofthediffractedintensityfrom:(a)acompletelyrandomcollectionofatomsand(b)asampleconsistingofrandomlyorientedorderedclusters.

(a)issmallandshowslittledependenceontheimagingconditions.

(b)islarge,andvariessignificantlywiththeimagingconditions.第4页/共50页Densityofstatesasafunctionofenergyfora-Sianda-Si:H第5页/共50页非晶硅在微电子硅材料中所占比例第6页/共50页非晶硅结构第7页/共50页

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、微波回旋共振化学气相沉积等。第8页/共50页SiH4

的分解过程

辉光放电分解要使SiH4气体和稀释气体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页/共50页SchematicconceptforthedissociationprocessesofSiH4andH2moleculestoavarietyofchemicalspeciesintheplasmathroughtheirelectronic-excitedstates.第10页/共50页

生长机理生成a-Si:H薄膜的主要反应是：SiH(气)＋H(气)Si(固)＋H2(气)其次，可能出现的反应有：SiH(气)SiH(固)SiH(气)＋H(气)SiH2(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。第11页/共50页

生长设备ECR-CVDsystem第12页/共50页The“hotwire”depositionsystem,whichshowsgreatpromiseforproducingamorphoussiliconPVdevices第13页/共50页

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

性能Somepropertiesofa-Si:Handa-SiGe:H第15页/共50页a-Si薄膜的应用DEVICEPRODUCTSPhotovoltaiccellPhotovoltaicmodules,Calculators,watches,batterychargers,etcPhotoreceptorElectrophotography,LEDprintersPhotoconductorColoursensors,lightsensors,etc.ImagesensorContact-typeimagesensors,electronicwhiteboards.SolarcontrollayerHeat-reflectingfloatglass.Thin-filmfield-effecttransistorDisplays,television,logiccircuitsforimagesensors.High-voltagethin-filmtransistorPrinters.

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太阳能电池太阳能电池薄膜制式调查第17页/共50页太阳能电池

工作原理p-i-namorphoussiliconsolarcelli层为本征层，是核心部分，是光生载流子的产生区。第18页/共50页Banddiagramofa-SiGe:H第19页/共50页TCO：TransparentelectrodeIL：InsulationfilmSUS：Stainlesssteelsubstrate第20页/共50页太阳能电池结构第21页/共50页PIN光电二极管Thepin

diodestructure第22页/共50页Cartoonillustratingtheprincipalparametersusedinmodelingphotocarriersinsemiconductors.

bandedgelevelenergiesECandEV,bandgapEG,interbandphotocarriergenerationG,electronandholemobilitieseandhanddensitiesnandp,andelectron–holerecombinationR.第23页/共50页a-Sip-i-ndiodeI-Vcurveunderdifferentilluminationintensities第24页/共50页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1000MHZ之间电流控制可变衰减器等。第25页/共50页可见光/红外探测器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页/共50页UncooledIRfocalplanearraya320x240pixelarraywithapitchof45m.asinglestagethermoelectrictemperaturestabilizer,integratedintoaminiaturizedpackage.Material:Resistiveamorphoussilicon.第27页/共50页Ahistogramplotofthesensitivityofacomponentpolarizedwith3VoltsThemeanvalueofthesensitivityisabout9,6mV/Kwithanonuniformity(standarddeviation/meanvalue)of1.5%.第28页/共50页Thermographs第29页/共50页

在液晶显示器中的应用ITOElectrode（a）AMLCD截面；（b）AMLCD显示元结构第30页/共50页

在TFT元件的应用第31页/共50页a-SiTFT元件制备工艺流程第32页/共50页Aresearcherworksonacommerciallithographymachine,whichisamicrocircuitmanufacturingdevice.第33页/共50页a-Si:HTFTs液晶显示器截面结构示意图第34页/共50页第35页/共50页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，可制作欧姆接触层，具有较高的电导率，等等。第36页/共50页

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。第37页/共50页Schematiccross-sectionofahot-wiredepositionchamberatUtrechtUniversity.Itbasicallycontainsasubstrateholder,ashutter,ahot-wireassembly,agasinletandapumpport.Thesubstrateholderisoptionallyheatedusingtheexternalheater.热丝CVD第38页/共50页c-Si:H薄膜生长机理Si(固体)SiH4SiHxSiHn扩散粒子－HHeSiH4[SiH4]Si＋m[H]等离子体12第39页/共50页c-Si:H从a-Si:H相中成核相第40页/共50页Schematicdiagramofso