半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀教學(xué)教材

1、半導(dǎo)體薄膜材料的制備研究現(xiàn)狀薄膜制備方法按物理、化學(xué)角度來分，有：薄膜制備方法按物理、化學(xué)角度來分，有： 2.3 2.3 離子成膜離子成膜1). 離子鍍及其原理：離子鍍及其原理： 真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時，采用帶，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進(jìn)能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進(jìn)行的鍍膜技術(shù)。行的鍍膜技術(shù)。 即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯

2、底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。膜。（1） 空心陰極離子鍍（空心陰極離子鍍（HCD）（2）多弧離子鍍）多弧離子鍍2).離子鍍的分類離子鍍的分類二、二、 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD)(CVD)q 氣相沉積過程中沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應(yīng)，氣相沉積過程中沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應(yīng)，因此，稱為化學(xué)氣相沉積（因此，稱為化學(xué)氣相沉積（CVD），否則，稱為物理氣，否則，稱為物理氣相沉積（相沉積（PVD）。）。2.1 化學(xué)氣相沉積的基本概念化學(xué)氣相沉積的基本概念900C2.2 分分 類類2.3 CVD

3、2.3 CVD的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)700-1000 熱分解反應(yīng)熱分解反應(yīng) SiH4 SiSi + 2H + 2H2氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng) SiHCl3 +H2 SiSi + 3HCl + 3HCl歧化反應(yīng)歧化反應(yīng)2SiI2 Si +SiI43.13.1液相外延液相外延 假設(shè)溶質(zhì)在液態(tài)溶劑內(nèi)的溶解度隨溫度降低而減小，那么當(dāng)溶液飽和后再被冷卻時，溶質(zhì)析出，若有襯底與飽和溶液接觸，則溶質(zhì)會在適當(dāng)?shù)臈l件下外延生長在襯底上。三、其他方法三、其他方法Electrochemical preparation and characterization of three-dimensionalnanostruc

4、tured Sn2S3 semiconductor films with nanorod network帶有納米棒網(wǎng)絡(luò)的三維納米結(jié)構(gòu)硫化錫半導(dǎo)體薄膜的電化學(xué)制備方法與特性制備原理：電沉積的理論基礎(chǔ)是電解定律。當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液時，與電源正極相連的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，與電源負(fù)極相連的陰極發(fā)生還原反應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)條件下，電子將全部參加反應(yīng)，在電極表面形成沉積層。制備過程：在含有30 mM Sncl2、100 mM Na2S2O3、60 mM K4P2O4、的溶液中，PH值用HCl稀釋，所有物質(zhì)采用分析純濃度，沉積在三電極體系中發(fā)生，采用恒電壓沉積Sn2S3薄膜。 采用ITO導(dǎo)電玻璃作為工作電極，pt片

5、作輔助電極，標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極作為參考點(diǎn)擊；工作電極和輔助電極用丙酮和乙醇超聲反復(fù)清洗，然后再用蒸餾水清洗，沉積過程要攪拌著保持30的溫度20分鐘，電壓-0.8V，有效沉積面積是12cm2，最后在Ar氣環(huán)境中，溫度在250下退火60分鐘。 實(shí)驗(yàn)原理圖： 從XRD圖中可以看出，沉積的Sn2S3薄膜，除了襯底ITO的衍射峰之外，在31.9, 32.5 和 37.9這三個角度還含有相對斜方晶系的Sn2S3的衍射峰，對應(yīng)于(211), (240) 和(250)面， (211)晶面有最大的結(jié)構(gòu)系數(shù)1.845，并可以算出晶粒尺寸大約25 nm。 熱處理之后的衍射峰強(qiáng)度有所增加，此外，在斜方晶系的Sn2S3 薄膜

6、的27.6, 30.9 和 33.5處還有三個衍射峰,對應(yīng)于(230), (310) 和(150)面， (310)晶面有最大的結(jié)構(gòu)系數(shù)2.269，并可以算出晶粒尺寸大約30nm。熱處理提高了薄膜的結(jié)晶度圖a展現(xiàn)了一個密集的表面覆蓋的顆粒形態(tài)，顆粒尺寸范圍大概是50 - 100nm，一些立方顆粒長度達(dá)到大于300 nm。圖b展現(xiàn)了熱處理后的薄膜呈現(xiàn)一種棒狀納米結(jié)構(gòu)，直徑大約50-100nm，長度大約1000nm，沿著不同方向分布著，中間夾著很深的空隙，形成一種納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該過程是一個熔融再結(jié)晶的過程。微觀形貌微觀形貌根據(jù)曲線的切線和X軸的交點(diǎn)可以得出，沉積得到的薄膜能帶隙是1.87eV，而熱處

7、理的能帶隙是1.65eV，發(fā)現(xiàn)熱處理之后的能帶隙減小了，這是半導(dǎo)體薄膜的一個正?，F(xiàn)象，這是由于Sn2S3 薄膜的晶體尺寸的增加導(dǎo)致的。能帶隙能帶隙電氣性能有錫空穴的形成P型半導(dǎo)體，有硫空穴的形成N型半導(dǎo)體，熱處理后的Sn2S3 薄膜的載流子遷移率高是由于形成了納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。電弧蒸汽低溫沉積（LTAVD）是一種物理氣相沉積方法Schematic diagram of LTAVD制備過程 首先將N型硅襯底加熱到900，由于快速熱氧化作用在其表面生成SiO2 薄膜，然后通過低溫電氣相沉積將TiO2薄膜沉積在N型Si和Si/SiO2襯底上。 低溫電氣相沉積的具體過程是：Si/SiO2襯底采用負(fù)偏壓，放

8、置真空爐中加熱到200，真空爐氣壓為4x10-5mbar（毫巴），Ti電極產(chǎn)生電弧，然后通入氧氣形成等離子，沉積在襯底上形成TiO2薄膜。沉積后的薄膜放在通有O2的爐中退火30min，退火溫度為500，再緩慢冷卻至室溫。 圖(a)和圖（b）分別展示了TiO2薄膜通過LTAVD技術(shù)在Si襯底和Si/SiO2襯底沉積的X射線衍射模式，它們退火溫度均在500。圖b中SiO2薄膜與TiO2薄膜都是非晶態(tài)的，當(dāng)退火溫度為500，結(jié)構(gòu)開始由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)組織，在2=25.30, 48.03以及55.06均出現(xiàn)波峰，這些位置分別對應(yīng)著TiO2（101）、TiO2（200）、TiO2（211）。 左圖分別為

9、直接在Si襯底上沉積TiO2薄膜、在Si襯底上沉積并退火處理、在Si/SiO2襯底上沉積TiO2薄膜 、在Si/SiO2襯底上沉積并退火處理，這些圖均沒有沒有明顯的裂紋和孔明顯的裂紋和孔，退火溫度的增加會導(dǎo)致隨機(jī)分布的一些集群數(shù)量的增加，退火處理后的薄膜表面更光滑，在Si/SiO2襯底上沉積TiO2薄膜退火后效果更明顯。退火后效果更明顯。 使用低溫電弧氣相沉積能夠成功制備一種在Si/SiO2襯底上的無裂紋TiO2薄膜，而直接沉積TiO2薄膜會存在高的界態(tài)和漏電電流，退火處理后可減小一個量級。因此，相比其他沉積技術(shù)，低溫電弧氣相沉積可制備低漏電電流的低溫電弧氣相沉積可制備低漏電電流的TiO2薄膜

10、薄膜。溶解前驅(qū)體溶液溶膠凝膠凝膠水解縮聚老化溶膠溶膠-凝膠技術(shù)凝膠技術(shù)溶膠-凝膠（Sol-Gel）法是一金屬有機(jī)化合物、金屬無機(jī)化合物或上述兩種化合物作為前驅(qū)體，溶于溶劑中形成溶膠，將干凈的玻片或其它基片插入溶液，或滴數(shù)滴溶液在基片上，用離心甩膠等方法敷于基體表面形成膠體膜，經(jīng)過水解縮聚反應(yīng)逐漸凝膠化，在經(jīng)過干燥、燒結(jié)或熱處理等后續(xù)處理工序，獲得所需的氧化物或其他化合物。Preparation and characterization of transparent semiconductor RuO2SiO2 films synthesized by solgel route金屬醇鹽溶劑（甲醇

11、、乙醇等）水催化劑（酸或堿）水解和縮聚溶膠陳化涂層成型濕凝膠干凝膠成品干燥熱處理1、將不同量的RuCl33.5H2O溶于30ml無水乙醇，在室溫下用磁力攪拌器攪拌1h，得到RuO2膠體。2、1mmol TEOS（正硅酸乙酯）分別溶于無水乙醇，并加入少量HCl以催化水解，同樣在室溫下攪拌2h，得到SiO2膠體。3、將RuO2膠體與SiO2膠體根據(jù)不同的Ru/Si比率（1/5, 1/10, 1/20, 1/30）分別混合并攪拌1h，得到RuO2/SiO2混合膠體。4、混合過后的膠體通過旋涂法在清潔的石英基底上得到混合薄膜。5、之后將這些薄膜在60烘烤5分鐘。6、最后將這些涂層分別在400、500、700以150立方厘米每分鐘的N2流動氣氛中熱處理30分鐘，得到最后的薄膜結(jié)構(gòu)。制備過程制備過程XRD分析結(jié)果分析結(jié)果 根據(jù)XRD分析圖譜，我們能明顯的看出伴隨著熱處理溫度的升 高 ， R u O2和SiO2發(fā)生了相位分離。四點(diǎn)探針表面電阻測量結(jié)果四點(diǎn)探針表面電阻測量結(jié)果 隨著Ru/Si比率的上升，電阻率在增大，而隨著熱處理溫度的增加，電阻率在不斷下降。FTIR光譜檢測結(jié)果光譜檢測結(jié)果 檢測結(jié)果如右圖，除了Ru-O和Si-O-Si鍵的光譜，還有1620cm-1水的光譜，圖中可以看出隨著熱處理溫度是升高， Ru-O和Si-O-Si鍵的波谷振動減弱，經(jīng)分析，可能是由于Ru