Zn在III-V族半导体中的扩散

1、小组成员：曹芸 黄昊光 华健 李梦俏 李思成 姜楠主讲人： 姜楠一、背景介绍二、 Zn在III-V族半导体中扩散研究的实验方法三、扩散机理简介四、Zn在III-V族半导体中的扩散研究的分析手段五、锑化镓红外电池制备工艺的研究目录扩散法掺杂扩散法掺杂Zn的优势的优势： 重要的P型掺杂物质，具有双重扩散前沿的kink-and-tail与单扩散前沿的box类型扩散曲线12为什么掺杂为什么掺杂： 将可控制数量的杂质摻入半导体内以改变半导体的电特性扩散离子注入背景介绍背景介绍Zn原子在N型衬底中的掺杂浓度分布器件的性能准确预测在不同的扩散温度与时间下Zn浓度曲线形貌、影响、需要 ZnZn扩散理论的研究价

2、值扩散理论的研究价值Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法1.准密封式扩散法1固定螺丝,2石墨顶盖,3石墨盒,4支撑框架,5III-V族化合物半导体晶片,6石墨制成的晶片支撑板,7钻有圆孔的石墨网,8扩散源 Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法 Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法 Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法保护气抽真空2.密封式扩散法Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法Zn在在III-V族半导体中

3、扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法保护气抽真空 Zn在在III-V族半导体中扩散研究的实验方法族半导体中扩散研究的实验方法扩散机理简介扩散机理简介通过质量作用定律,并且考虑到最终扩散样品中填隙态Zn浓度远远小于替位态Zn浓度,那么由上述两个方程描述的扩散过程中扩散率可通过下式粗略计算扩散机理简介 Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系 光致发光建立扩散方程，拟合扩散参数检验拟合参数Zn在III-V族半导体中的扩散研究的分析手段12344.1Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系将菲克第二扩散定律中将菲克第二扩散定律中 和和 采用采用表示表

4、示式中D表示扩散率，C表示杂质浓度将表达式 作出相应的转化，得到带入菲克扩散定律式中，得到4.1Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系对于半无限厚系统中的扩散,设定扩散边界处x=0,其初始条件(t=0时)为当采用来表示上述初始条件时,可表示为4.1Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系当的取值使得浓度C1位于0和C之间时，可将*式对C进行积分,由于扩散时间t为常数,因此可以将X和t代替代入上式，并且考虑到在C=0时， 于是得到4.1Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系从中可得到扩散曲线中浓度C=C1时,扩散率D的大小由此，可以

5、计算任意形貌扩散曲线中某确定浓度值C1时扩散率D的大小4.1Boltzmann-Matan方法计算杂质扩散率与浓度的关系dx/dC为浓度为C1处扩散曲线的切线斜率值的倒数,而 为扩散曲线、C= C1时的水平线、以及横纵坐标围起来的面积值,其值等于图中条状面积大小Zn原子无论是通过dissociative还是kick-out机制进行扩散,其扩散率D与浓度C之间的关系总是确定的,这个关系决定于III族原子处空位的价态r或者处于填隙态的III族原子价态k。Boltzmann-Matano方法的作用就在于确定出r或k的具体数值。2、GaSb红外电池研究红外电池研究背景背景GaSb红外电池是目前热光伏发

6、电系统中最常用的光电转换器件，每年发表在国际能源类期刊上的热光伏发电技术的论文中,90%以上都釆用GaSb电池作为光电转换器件。除了应用于热光伏发电系统,GaSb电池在近红外波段具有较高光谱响应度,可与近红外波段激光器组成无线输电系统在无人侦察机、心脏起搏器的无线输电等领域具有广泛的应用。1、红外电池简介、红外电池简介红外电池是光电池的一种，其通过吸收红外波段的电磁波产生电能。主要用于热辐射回收、提高可见光太阳能电池的效率。而太阳光谱中的一大部分为红外线，低温热源也会辐射大量红外线。红外电池的作用就是收集这一部分能量。锑化镓锑化镓红外电池制备工艺的研究红外电池制备工艺的研究锑化镓锑化镓红外电池

7、的传统制备工艺流程红外电池的传统制备工艺流程准密封式单步锌扩散法优缺点分析：单步锌扩散法制备GaSb电池成本较低,但是由于腐烛重掺杂层 的过程非常难以控制,不利于批量生产,而从限制了其大规模推广两步锌扩散法优缺点分析优缺点分析：解决了单步扩散法制备电池过程中腐烛重掺杂层难以控制的问题，该方法制备出的电池表面受光区域为浅扩散，而电极以下区域为深扩散，这样分成两步进行扩散的方式可有效增强电池的光谱响应度。但是此类工艺中增加了一步扩散与光刻工艺，制备成本增加。金属有机气相外延（MOVPE）生长法优缺点分析优缺点分析：避免扩散过程中产生表面重掺杂层的问题。外延生长法可制备高效率的GaSb红外电池。由于

8、外延生长法所需要的外延生长设备非常昂贵,并且用于生长薄膜的原材料三乙基镓(TEGa)、三甲基铺(TMSb)、二甲基锌(DMZn)等成本都较高，因此虽然采用外延法制备出的GaSb电池效率高,但是由于制备成本的限制,一直没有得到中大规模的生产。4 4、锌扩散法制备锑化镓电池的优化方法、锌扩散法制备锑化镓电池的优化方法 传统制备方法中扩散后生成的是kink-and-tail类型曲线，需要采用腐烛液逐渐去除高浓度扩散层，并在每次腐烛步骤后进行测试，直到达到最优输出功率为止。扩散源中Ga原子的存在可以抑制Zn在GaSb表面高浓度层的产生，生成单扩散前沿的box类型曲线。由于在相同扩散温度和时间下，box曲线形貌正好与kink-and-tail曲线中点之后的尾部区域完全重合，因此可利用这一现象，对单步锌扩散法制备GaSb电池工艺做出改进，简化电极制备后繁琐的腐蚀工艺。传统工艺的繁琐性繁琐性以及低电池效率！低电池