第四章--新型半导体薄膜材料ppt课件.ppt

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1、第四章新型半导体薄膜材料本章主要介绍硅基非晶半导体薄膜材料的结构特点、制备方法、光学和电学特性以及这些材料的研究现状。同时还将介绍最近发展起来的微晶Si薄膜和多晶Si薄膜的结构特点、制备方法及其应用。在应用方面，将重点介绍高效率、长寿命、低价格、大面积非晶硅（a-Si:H）太阳能电池的工作原理及发展现状。4.1概述新型半导体薄膜材料的研究与发展，主要是以研究和发展非晶态半导体薄膜材料制备与器件应用最为活跃，已成为材料学科的一个重要组成部分。随着非晶态半导体在科学和技术上的飞速发展，它已在高新技术领域中得到广泛应用，并正在形成一

2、类新兴产业。例如，用高效、大面积非晶硅（a-Si:H）薄膜太阳电池制作的发电站已并网发电（它是无任何污染的绿色电源）；用a-Si薄膜晶体管制成的大屏幕液晶显示器和平面显像电视机已作为商品出售；非晶硅电致发光器件和高记录速度大容量光盘等。也正在向实际应用和商业化方向发展。大量事实说明，研究非晶态半导体薄膜材料的意义不仅在于技术上能够产生新材料、新器件和新工艺，而且对于认识固体理论中的许多基本问题也会产生深远的影响。“非晶”固体或“无定形”（Amorphous）固体是一种不具有晶体结构的固体。通常“非晶”或“无定形”是同义词。但是

3、，严格说来，所谓“非晶”就是指那些不结晶的物质。液体等也包括在内。所谓“无定形”是指“玻璃态”的物质。“玻璃”这一术语多半是指将熔化状态的物质通过冷急法冻结成的固体。4.2硅基非晶态半导体薄膜4.2.1非晶半导体薄膜材料结构特点非晶硅（AmorphousSilicon或Non-crystallinesilicon，简称a-Si）是近代发展起来的一种新型非晶态半导体材料，非晶硅是当前非晶半导体材料和器件的研究重点和核心。同晶体硅相比，它的最基本特征是组成原子没有长程有序性，只是在几个晶格常数范围内具有短程有序。原子之间的键合十分

4、类似晶体硅，形成一种共价无规网络结构。另一特点是，在非晶硅半导体中可以实现连续的物性控制。当连续改变非晶硅中掺杂元素和掺杂量时，可连续改变电导率、禁带宽度等，如用于太阳电池的掺硼（B）的p型a-Si材料和掺磷（P）的n型a-Si材料，它们的电导率可由本征a-Si的约10-9s/m提高到10-2～1s/m。本征a-Si材料的带隙约1.7eV，通过掺碳可获得Eg>2.0eV的宽带隙a-SiC材料，通过掺入不同量的Ge可获得1.7～1.4eV的窄带隙a-SiGe材料。通常把这些不同带隙的掺杂非晶硅材料称为非晶硅基合金。由于a-Si薄

5、膜具有十分独特的物理性能和在制作工艺方面的加工优点，使它可用作大面积、高效率太阳能电池材料、大屏幕液晶显示器和平面显像电视机，以及用于制作a-Si传感器和摄像管、非晶电致发光器件等。由于a-Si有很大的应用前景和极为丰富的物理内容，因而已受到科技界和工业界高度重视。非晶半导体按其特性可分为两大类：硅系化合物（C、Si、Ge及其合金）和硫系化合物（S、Se、Te及其合金）。目前研究得最多、应用最为广泛的是氢化非晶硅膜（a-Si:H）及硅基合金膜（如a-SiC:H、a-SiN:H、a-SiGe:H等）。非晶硅的结构特点：①在结构上

6、，非晶半导体的组成原子没有长程有序性。②对于大多数非晶半导体，其组成原子都是由共价键结合在一起的，形成一种连续的共价键无规网络。③非晶半导体可以部分实现连续的物性控制。④非晶半导体在热力学上处于亚稳状态，在一定条件下可以转变为晶态。⑤非晶硅及其合金膜的结构、电学和光学性质，依赖于它们的制备条件和制备方法。⑥非晶半导体的物理性能是各向同性。作业：简述非晶硅的结构特点以及能带结构和电导率特性。简述非晶硅的能带结构能带结构：1存在Ef钉扎2对掺杂不敏感3存在类似于导带和价带的扩展态4存在带尾定域态，以及带隙中的缺陷定域态非晶硅的电导

7、率特性电导率特性：电流传导主要依靠1Ef附近的定域态跳跃传导2带尾定域态中的跳跃传导3扩展态传导4.2.2非晶硅薄膜的制备非晶硅薄膜制备的常用方法：辉光放电法（glowdischargemethod）、射频溅射法（rf-sputtering）、化学气相沉积法（CVD）、电子束蒸发法（EBE）、电解沉积法、激光沉积法、等离子体化学传输沉积法（PCTD）和超急冷法等。目前广泛采用的是辉光放电法。辉光放电法制备非晶硅基薄膜的装置如图4-1所示。根据辉光放电功率源频率的不同，辉光放电分为射频（rf-13.56MHz）辉光放电、直流辉光

8、放电、超高频（VHF-70～150MHz）辉光放电等。图4-1制备a-Si:H薄膜的辉光放电装置示意图把硅烷（SiH4）等原料气体导入真空反应室中，用等离子体辉光放电加以分解，产生包含带电离子、中心粒子、活性基团和电子等的等离子体，它们在带有TCO膜的玻璃衬底表面发生化学反应