半导体薄膜的应用综述

1、物联网发展状况及核心技物联网发展状况及核心技 术术 吕婷、任海龙吕婷、任海龙 半导体薄膜的应用 ?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 ?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 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 光子照射至半导体上使价带电子得能量到导带

2、，产生电子空穴对，在PN结内电场 作用下产生光生电动势 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） 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 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

3、信号 的器件。 常用材料： 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。 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- 310-1；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

4、元件在外界各种工作环 境下性能稳定。 所用材料分三类：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。 半导体金属薄膜的应用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

5、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： ? 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 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 1/51/10，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

6、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 ? 光伏技术中的应用光伏技术中的应用 ? 光解水中的应用 ? 电化学照相中的应用电化学照相中的应用 ? 电子及微电子工业中的应用电子及微电子工业中的应用 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、I

7、nP、TiO2、CdTe、WSe、GaInPAs的表面上,当厚度约为 1020 nm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。 ? 光伏技术中的应用光伏技术中的应用 ? 光解水中的应用 ? 电化学照相

8、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 传统的照相材料传统的照相材料( (卤素卤素) ) 是借助是借助物理显影物理显影来成像的。物理显影一般包括来成像的。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, ,这样就形成了这样就形成了 常用的两种方法，一种是使半导体常用的两种方法，一种是使半导体/ /电解液界面在“极限电流极限电流”的条件下工的条件下工 作。当光学图象投射电极表面时作。当光学图象投射电极表面时, ,光照部

9、分的少子浓度和反应速度都增加。 在在p p型样品中可加速金属的阴极电沉积型样品中可加速金属的阴极电沉积, ,而在而在n 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和和GaP等。另一种方案是利用等。另一种方案是利用电解液中半导体电极表面的光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。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。 ? 光伏技术中的应用光伏技术中的应用 ? 光解水中的应用光解水中的应用 ? 电化学照相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,通过在n-Si上镀覆Ti、Mo、Cr、W等金属膜,制作出了在1100 A的电流范围内,起始电压仅0.5 V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 330 GHz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