半导体薄膜制备及光电性能表征

........................半导体薄膜制备及光电性能表征一、试验简介ZnO薄膜为例，介绍其性能、生长和应用；磁控溅射生长ZnO薄膜；霍尔效应介绍；ZnO薄膜的性能测试，以HallZnO薄膜的电学性能。二、半导体薄膜〔1〕ⅣSiG〔2〕Ⅱ-Zn、CdO、S、Se、Te形成的化合物，主要有〔3〕Ⅲ-Al、Ca、InN、P、As等形成GaAs、GaN〔4〕Cu〔In，Ga〕Se2〔5〕有机半导体。在上述半导体材料中，SiGe1.12eV0.66eV，此类半导体为窄禁带半导带底和价带顶在K空间中是否处在同一位置，还可分为间接带隙和直接带隙半导体，Si、Ge为间接带隙半导体，ZnO、GaN为直接带隙半导体。本试验以ZnO为例介绍半导体材料，ZnO在自然界中以矿物的形式存在，人们在争论应用的过程中，先后制备出了多种形态的ZnO材料，如：粉体、陶瓷体材、体单晶、薄膜和纳米构造等。薄膜材料指的是利用某些生长技术，在衬底或基板上沉积一层很薄的材料，厚度通常在nm或μm量级。三、ZnO半导体薄膜ZnO80ZnO是一种Ⅱ-GaN3.37eV。ZnO60meVGaN2a=0.3243nm、c=0.5195nm，Zn-O0.194nm4：4。ZnO的分子量为81.395.606g/cm-3，无毒、无臭、无味、无砂性两性氧化物，能溶于酸、碱以及氨水、氯化铵等溶液，不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有机溶剂。熔点为l975ºC，加热至1800ºC升华而不分解。图2显示了常用的一些半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系。在全部的宽禁带半导体中，很小(~1.8%)ZnO可以与CdO或MgO形成ZnCdO或ZnMgOCdO2.3eV，MgO7.7eV，理论上，ZnOCdOMgO形成的三元合金体系可以将禁带宽度扩2.3~7.7eV的范围，掩盖了从紫外到可见光的大局部波谱范围。ZnO为极性半导体，存在着诸多的本征缺陷〔如：ZnZniOVO等nZnOIIIA族元素〔如、AlG、I、IIIB族元素〔如Sc、IA族元素〔Si、GeSn、VIB族元素〔TiZ、VB族元素〔VN、VI族元素〔MoZnOZ、ClVII，提供电子。IIIAAl、Ga、In是最为常用的，特别是AlZnO〔AZO〕薄膜，10-3~10-4Ωcm量级。图1 ZnO晶体原子点阵示意图2半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系相对于n型掺杂，ZnO的p10余年不懈努力，试验室中实现pZnOZnOp型掺杂主要通过以下两Li、Na、K、Au、Ag、CuZn形成浅受主，产生空穴；另一种是Ⅴ族元素，如NO形成受主，产生空穴，掺入P、As、Sb等也可以产生空穴。目前争论N替代-H–法。NO受主能级深(200meV)，空穴激活难；NZnO中固溶度低(1013/cm3)，掺入ZnO中氧空位缺陷密度高，自补偿严峻。ZnO薄膜的生长，而且生长温度一般较低，这有利于减低设备本钱，抑制固相外集中，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。薄膜生长方法可大致分4种：物理气相沉积〔PVD、化学气相沉积〔CVD、液相外延〔LP、湿化学方法〔WCM。物理气相沉积包括很多种方法，如溅射、蒸发、脉冲激光沉积PL、分子束外延〔MB〕等。化学气〔MOCVCVDCV衬底上生成单晶薄膜的方法，目前应用较少。湿化学方法有很多种，如溶胶-凝胶、喷雾热分解、液相电沉积等。ZnO是一种多功能氧化物材料，在光电、压电、热电、铁电、铁磁等各个领域都具有优异的ZnOp型掺杂的实现，ZnO薄膜作为一种型的光电材料，在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的进展潜力。ZnO在应用方面具有很多明显的优势：原料丰富，价格低廉；成膜性能好，外延生长温度低；有商用体单晶，可以进展同质外延；是一种环境友好材料，生物兼容性好等。四、ZnO薄膜溅射〔Sputtering〕是建立在气体辉光放电的根底上，利用气体辉光过程中产生的正离子与靶IC平面器件工艺具有兼容性，对设备要求不高，生产本钱较低。两极间通入工作气体，在此以氩气〔Ar〕为例，当两极间施加高压时，电极间的Ar发生电离，没Ar+向阴极作加速运动，撞击阴极靶材。Ar+与靶材原子作动能交换，靶材原子获得的能量大于金属的逸出功时，将离开靶仅跟电场，磁场的强度和分布有关，而且还跟电子电离时的运动状态有关。在磁控溅射系统中，一次电子〔在等离子体中Ar原子电离出来的电子〕有两个特点：其一，运动路径由直线运动变成了螺旋运动，运动路程大大增长，因此，它同Ar原子的碰撞几率明显增加，最终使得Ar原子的离化率大大提高。其二，某些可能飞向衬底的一次电子由于受磁场影响作从而对衬底上的薄膜因轰击而损伤的程度也大为降低。磁控溅射中的放电过程是特别阴极辉光放电，放电产生的等离子体Ar+尽管也受到磁场同样的洛伦兹力，但由于Ar+靠近阴极，且其质量大〔1860MAr跑向靶面时，受磁场的影响是很小的。因此，Ar离子根本上是垂直撞击靶面。靶材外表原子由于受高能Ar+轰击而被轰出外表。当溅射的原子到达衬底后，由于粘附力的作用，其中大局部沉积在衬底上形成薄膜。磁控溅射放电根本上抑制了二极溅射的“低速高温”的致命缺点，沉积速率较后者大为提高；同时，它又保持了溅射镀膜的优点，即溅射粒子到达这样，薄膜中的空隙变得更小、更少，薄膜更致密。同时，又由于粒子到达衬底时动能很大，与衬底的结合很结实。直流溅射中靶材只接收正离子,假设靶材是绝缘材料,阴极外表聚拢的大量正离子无法被电子中和使其电位不断上升,阴阳两极电势减小,使溅射不能持续进展。射频溅射原理:交变电场使得靶材正半周接收电子,负半周接收正离子,相互中和,从而使阴阳两极电位的大小保持稳定,使溅射能够持续进展。ZnO作靶材，用射频溅射解决13.56MHz34为一种多功能磁控溅射镀膜机示意图。............4多功能磁控溅射镀膜机材料也可以是绝缘材料。600L/S1台，质1台，223英寸可镀磁性材料的专用磁控溅射...............靶，真空室配有可加热衬底从室温到800℃的自旋转带挡板样品台一个，烘烤照明系统一套。设备主体均为优质不锈钢制造，耐腐蚀、抗污染、漏率小；设备电控局部承受先进的检测和掌握系统；设备的基片加热温度、靶头与基片的距离、充入气体的流量、基片架的旋转速度、射频5×10-5Pa；冷却水用量：2L/min；设备总功率：7.8KW。设备操作流程如下：关闭状态。翻开水源，确定各路水路是否畅通、有无渗漏。如有问题，需准时解决，这是格外重要的。翻开总电源，检查三相指示是否正常，其他电源都应处在关闭状态。翻开复合真空计，检查真空室内是否有真空度，依据真空度的状况分别承受以下两种抽气方式。方式一，对于真空度≥20Pa的状况，操作方式为：启动机械泵，启动预抽阀，快速翻开CF-35旁抽角阀〔要全翻开20Pa时，先关闭CF-35动前级阀再翻开插板阀〔肯定要开到位，启动分子泵，抽至所需真空度。方式二，对于真空度＜20Pa的状况，操作方式为：启动机械泵，启动前级阀，翻开插板阀〔肯定要开到位，如遇开启费力，则应马上通知相关人员检查或修理，千万不行用蛮力开启，启动分子泵电源，抽至所需真空度真空室抽至所需本底工作真空后〔510-4Pa，此时可缓慢翻开CF-16充气角阀，待真空度稳定后，对需要使用的电源进展预热。翻开所需气体的气瓶抽速，将真空度掌握在工艺要求的范围内，此时就可以进展正常的溅射镀膜。关闭设备时，要先关闭溅射电源、样品架加热电源，样品架旋转电源，再关闭气瓶，进CF-165×10-4Pa时，关闭插板阀。如要取样片，可在确认真空室内温度不高于100℃时翻开放气阀，最好能通过放气阀充入枯燥氮气。待真空室内为1个大气压时，关闭放气阀，启动升降机构。取出被镀样品，最好能同时装上样品，启动升降机构，落下真空室上盖，再按步骤“4”方式一操作，将真空度抽至CF-1500时，关闭机械泵，关闭总电源开关。15分钟后，关闭水源。五、Hall效应介绍ab之间就会消灭横向电势差U。这种现象是霍尔首先觉察的，因此，称之为霍尔效应，导体板两侧形成的电势差U称5Hall1×b×dZ轴方向，大小BXIYV，大小为：Z X H其中，RHHall系数。对于实际半导体而言，通常都同时存在空穴和电子两种载流子，理论计算可得出，...p=0；假设电子n=0.利用霍尔效应，可以测定半导体材料的导电类型、载流子浓度、迁移率和电阻率；还可以制备霍尔器件。5霍尔效应示意图6Hall测试电极制备示意图六、Hall测试HL5000Hall测试仪，可以测试半导体材料的导电类型、载流子浓度、方块电阻、电阻率、载流子迁移率、霍尔系数等。可使用范德堡样品或条形、桥型样品。对于半导体薄膜如ZnO薄膜，样品要求：外形为方形，6mm~12mm为宜；衬底必需绝缘，无裂纹和空洞，否则无法进展霍尔测试。电极要求：样品必需与金属探针(Pt)形成良好的欧姆接触，在样品的四个角上焊上In电极，如6Hall测试构造造成影响。Hall测试是否牢靠，推断依据如下：I-V曲线为线性，且不同探针对间的接触电阻相当，至少在同一个数量级。SymFactorSym1.5，Factor0.9。2-41-3Hall电压这两个数值的符号、大小很重要。对一般的材料来说，要np型样品会存在空穴和电子两种载流子，依据半导体物理，Hall测试过程中在“高温”下会出...............现两者为异号的状况。连续屡次测量，由于温度效应会使测量不准确。七、试验结果与争论本试验测试结果见附页，其中电阻率Rs=1.337×104ohm/sq，迁移率RHs=-12.5m2/C，载流子浓度Ns=-4.995×1013/cm2。依据、B=0.508T、d=0.300μm，计算RH=-2.568×10-3。由于迁移率和霍尔系数都是负值，即导电载流子主要是带负电的电子，所以此ZnO薄膜样品n型。明接触探针与样品之间形成了良好的欧姆接触。2.1