介質(zhì)薄膜的性質(zhì),半導(dǎo)體薄膜的性質(zhì)

1、 9.3 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì) 9.4 半導(dǎo)體薄膜的性質(zhì) 9.5 薄膜的其他性質(zhì)2015.05.26一、絕緣性質(zhì)二、介電性質(zhì)三、壓電性質(zhì)四、熱釋電性質(zhì)五、鐵電性質(zhì)介質(zhì)薄膜電學(xué)性質(zhì) 介質(zhì)薄膜絕緣性能的研究主要是為了制作薄膜電子元器件中的絕緣層。對(duì)絕緣性能的研究主要是電導(dǎo)和擊穿特性介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)介質(zhì)薄膜的電導(dǎo) 在測(cè)量介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)時(shí)，需在介質(zhì)膜的兩面制作電極，形成金屬一介質(zhì)一金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，只有在電極與介質(zhì)的接觸是歐姆接觸時(shí)，測(cè)出的電導(dǎo)才是介質(zhì)膜的電導(dǎo)。1介質(zhì)薄膜電導(dǎo)的分類(lèi)1)按載流子的性質(zhì)：可分為離子型電導(dǎo)和電子型電導(dǎo)。通常兩種同時(shí)存在。2)按載流子的來(lái)源分，離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)都有兩種來(lái)源：一

2、種是來(lái)源于介質(zhì)薄膜本身的，稱(chēng)本征電導(dǎo)；另一種是由膜中的雜質(zhì)和缺陷引起的電導(dǎo)，稱(chēng)為雜質(zhì)電導(dǎo)或非本征電導(dǎo)。 2介質(zhì)膜的電導(dǎo)與場(chǎng)強(qiáng)和溫度的關(guān)系1)通常在低場(chǎng)強(qiáng)(E106Vcm)下，電導(dǎo)為非歐姆性的；例如介質(zhì)膜用作電容器中的工作介質(zhì)時(shí)的情況。3)在一般電場(chǎng)條件下,介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加。高溫下為本征電導(dǎo)，中低溫時(shí)不同溫度范圍激活能不同。介質(zhì)薄膜的擊穿介質(zhì)薄膜的擊穿 當(dāng)施加到薄膜上的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一數(shù)值，它便立即失去絕緣性能，這種現(xiàn)象叫做擊穿。從擊穿對(duì)薄膜造成的影響分類(lèi) 1）如果擊穿電場(chǎng)持續(xù)加在薄膜上，將有較大電流通過(guò)將其燒毀，這種擊穿成為硬擊穿。 2）有些介質(zhì)膜在擊穿時(shí)并不燒毀而是長(zhǎng)期穩(wěn)定的

3、工作維持低阻態(tài)，這種膜的擊穿成為軟擊穿。從擊穿機(jī)理分類(lèi) 1) 由于外加電場(chǎng)引起的擊穿稱(chēng)為本征擊穿 2) 因薄膜缺陷引起的擊穿稱(chēng)為非本征擊穿介質(zhì)膜的本征擊穿 本征擊穿由電擊穿和熱擊穿共同作用完成。電擊穿是介質(zhì)膜中載流子在臨界電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電子倍增而形成的擊穿。電擊穿時(shí)電子雪崩式增加，產(chǎn)生大量焦耳熱，介質(zhì)膜溫度迅速上升，介質(zhì)膜電導(dǎo)隨溫度上升指數(shù)型增加，進(jìn)一步導(dǎo)致電流增大，最后造成局部地區(qū)產(chǎn)生熱分解、揮發(fā)或熔化，促成熱擊穿。常見(jiàn)介質(zhì)膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)于同一種介質(zhì)膜，因制造方法不同其擊穿場(chǎng)強(qiáng)有較大的區(qū)別，產(chǎn)生這種差異的原因是不同制造方法在介質(zhì)薄膜制備過(guò)程中產(chǎn)生的針孔、微裂痕、纖維絲和雜質(zhì)缺陷等不同。二、介

4、質(zhì)薄膜的介電性質(zhì) 作為薄膜電容器使用時(shí)，其電學(xué)性質(zhì)主要研究的是介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。介質(zhì)薄膜的介電常數(shù) 根據(jù)極化性質(zhì)的不同，將介質(zhì)薄膜分為極化型介質(zhì)薄膜和非極化型介質(zhì)薄膜。 由于極化強(qiáng)弱與介質(zhì)薄膜中總電荷數(shù)以及電荷間相互作用強(qiáng)弱有關(guān)，所以介質(zhì)薄膜介電常數(shù)與原子序數(shù)有關(guān)。 介電薄膜的溫度系數(shù)也是其介電性能的重要參數(shù)。 在測(cè)量溫度系數(shù)時(shí)必須在介質(zhì)膜上制備歐姆接觸電極，構(gòu)成一個(gè)片狀電容器。在測(cè)量電容器溫度系數(shù)后再推求出介電常數(shù)的溫度系數(shù) 式中d為薄膜厚度熱膨脹系數(shù)，可直接測(cè)出。介質(zhì)薄膜的損耗 對(duì)薄膜施加交變電場(chǎng)后，由于電導(dǎo)和極化方面的原因，必然產(chǎn)生能量損耗，用損耗角的正切值tan（%）表示介質(zhì)薄膜的損

5、耗由三部分構(gòu)成電導(dǎo)損耗。在低頻下比較顯著。 弛豫型損耗。與交變電場(chǎng)頻率有密切關(guān)系，高頻顯著。非弛豫型損耗。由膜內(nèi)不均勻性造成，與頻率幾乎無(wú)關(guān)。三、介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)帶電粒子在應(yīng)力作用下發(fā)生相對(duì)位移而極化，在晶體兩端產(chǎn)生符號(hào)相反的束縛電荷，電荷密度與應(yīng)力成線性關(guān)系。這種由于應(yīng)力作用使表面產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體受到電場(chǎng)作用時(shí)在它的某個(gè)方向發(fā)生應(yīng)變，且應(yīng)變與場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系，稱(chēng)為負(fù)壓電效應(yīng)。 這兩種效應(yīng)綜合在一起稱(chēng)為壓電效應(yīng)。目前應(yīng)用最多的壓電薄膜有ZnO和AlN壓電薄膜的結(jié)構(gòu) 為了產(chǎn)生極化電荷，要求：（1）離子晶體（2）晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心（3）所選材料各微晶基本上有相同取向（4）

6、微晶原子排列上要求立方晶結(jié)構(gòu)閃鋅礦或者六方晶結(jié)構(gòu)纖鋅礦。壓電性能參數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)壓電系數(shù)d 單位應(yīng)力作用下產(chǎn)生的極化強(qiáng)度或者單位電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm 描述壓電材料在諧振時(shí)機(jī)械能損耗的數(shù)量電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe 描述損失的交變電流能量無(wú)功電流有功電流四、介質(zhì)薄膜的熱釋電性質(zhì)具有自發(fā)極化的晶體被加熱時(shí)表面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。 當(dāng)給熱釋電晶體施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)引起晶體溫度的變化，這稱(chēng)為電卡效應(yīng)。熱釋電晶體要求具有自發(fā)極化型，且結(jié)構(gòu)上沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心。五、介質(zhì)薄膜的鐵電效應(yīng)鐵電體：某些晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化方向可以隨著電場(chǎng)方向而變化。鐵電體的特征： 具有電滯回線

7、（極化強(qiáng)度P和外電場(chǎng)E間的特定關(guān)系）存在一個(gè)臨界溫度，即鐵電居里溫度其介電性、熱學(xué)、光學(xué)、彈性性質(zhì)在在臨界溫度附近出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。目前研究較多的鐵電薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3 半導(dǎo)體薄膜的發(fā)展與半導(dǎo)體器件及集成電路的發(fā)展有著密切的關(guān)系，在各種半導(dǎo)體材料中，半導(dǎo)體薄膜占有非常重要的地位。首先得到應(yīng)用的半導(dǎo)體材料就是半導(dǎo)體薄膜。(氧化亞銅整流器、鍺整流器件)本節(jié)僅就單晶、多晶、非晶和氧化物半導(dǎo)體薄膜等四種材料的性質(zhì)作些扼要介紹。 1. 硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜 3.族化合物半導(dǎo)體薄膜 4.族化合物半導(dǎo)體薄膜。1. 硅外延薄膜 所謂“外延”(epitaxy)就

8、是原子以單晶形式排列在單晶基體上，使最后形成的薄膜層的晶格結(jié)構(gòu)恰好是基體晶格結(jié)構(gòu)的延續(xù)(外延)。 硅外延薄膜是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)制造的。厚度在1m到20 m之間變化。(1)外延膜厚度均勻性、電阻率的均勻性 外延膜厚度分布均勻性受反應(yīng)氣體流速的影響。在CVD法制膜過(guò)程中：1）氣流速度過(guò)快，會(huì)形成不穩(wěn)定的紊流，外延膜中間厚，邊緣??；2）氣流速度過(guò)慢，結(jié)果是膜的中間薄邊緣厚。 此外， 外延膜電阻率均勻問(wèn)題決定于薄膜形成時(shí)加入到反應(yīng)氣體中雜質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量。生長(zhǎng)高品質(zhì)Si外延薄膜需要考慮的問(wèn)題： (2)自動(dòng)摻雜效應(yīng) 在外延膜生長(zhǎng)過(guò)程中來(lái)自基體中的雜質(zhì)摻雜稱(chēng)為自動(dòng)摻雜效應(yīng)。 抑制自動(dòng)摻雜效應(yīng)采取

9、的措施：減小外延膜生長(zhǎng)時(shí)的氣壓(減壓CVD)，減小外延膜成長(zhǎng)速率，增大氣體流量使用低蒸氣壓摻雜劑 (3)結(jié)構(gòu)缺陷 在外延膜中的結(jié)構(gòu)缺陷有位錯(cuò)、積層缺陷、析出物、雜質(zhì)異物和氧化缺陷等。從廣義角度看，還有氧、碳及重金屬雜質(zhì)、原子空位和填隙原子等點(diǎn)缺陷。目前研究較多的缺陷是硅氧化時(shí)從表面引入的積層缺陷。(衡量這種缺陷的參數(shù)是積層缺陷長(zhǎng)度L，它與氧化時(shí)間t及溫度T有關(guān))。（4） 掩埋層變形和偏移。 硅外延膜生長(zhǎng)時(shí)容易產(chǎn)生掩埋層位置移動(dòng)和邊緣塌陷變形現(xiàn)象。它與生長(zhǎng)溫度，氣體種類(lèi)，基體晶面方位等有關(guān)。2.SOS(Si on Sapphire) 膜 在藍(lán)寶石基體上外延生長(zhǎng)的Si膜稱(chēng)為SOS薄膜。它是制造大規(guī)

10、模集成電路的理想材料。利用SOS膜可提高電路的集成度、工作速度和可靠性，實(shí)現(xiàn)低功耗。 但因它屬于異質(zhì)外延生長(zhǎng)，在SOS膜中還有缺點(diǎn)：如由于硅和藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)不同，在膜中產(chǎn)生壓應(yīng)變、高密度晶格缺陷、在Si膜和藍(lán)寶石基體間存在著過(guò)渡區(qū)、有來(lái)自基體的Al自摻雜。這些缺點(diǎn)對(duì)薄膜性質(zhì)的影響表現(xiàn)在：(1)熱應(yīng)變的影響 SOS膜的生長(zhǎng)是在1000左右溫度下進(jìn)行。因室溫下Si膜和藍(lán)寶石基體的熱膨脹系數(shù)不同，在Si膜中產(chǎn)生壓應(yīng)力大約109dyn/cm2。由于壓應(yīng)力作用使Si膜導(dǎo)帶能量發(fā)生變化，從而引起電導(dǎo)率發(fā)生變化。 (2)結(jié)構(gòu)缺陷和電導(dǎo)率 結(jié)構(gòu)缺陷的多少會(huì)影響到薄膜電導(dǎo)率的不同。以位錯(cuò)這種結(jié)構(gòu)缺陷為例，在

11、SOS膜中位錯(cuò)密度與膜厚d有關(guān)。膜厚增加位錯(cuò)減少電導(dǎo)率變化 (3)藍(lán)寶石與Si膜的界面 在Si膜和藍(lán)寶石基體之間存在一個(gè)厚度約為20-40nm的過(guò)渡區(qū)。在這個(gè)區(qū)域中存在有Al-Si-O化合物，與Si-SiO2界面一樣，在Si膜與藍(lán)寶石基體界面處Si的禁帶中央?yún)^(qū)域，界面能級(jí)密度較小。在半導(dǎo)體器件中這種界面能級(jí)是形成漏電流的一個(gè)原因。 但藍(lán)寶石基體中的Al自動(dòng)摻雜作用對(duì)Si膜電導(dǎo)率影響不太大。 3.族化合物半導(dǎo)體薄膜 利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法可在各種基體上制造出單晶薄膜。 如可以在GaAs等基體上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)并制備出低電阻率的N型單晶薄膜ZnSe和CdS ，P型單晶薄膜ZnTe。 這就克服

12、了一般用 族化合物半導(dǎo)體難于制造兩種導(dǎo)電類(lèi)型(P型和N型)半導(dǎo)體的困難(CdTe除外)。有效地利用薄膜具有禁帶寬度大和直接轉(zhuǎn)換導(dǎo)電類(lèi)型等特點(diǎn)，來(lái)制造太陽(yáng)能電池、發(fā)光和光接收器件。 另外利用MOCVD或者M(jìn)BE方法也可制造出低電阻率薄膜。4.族化合物半導(dǎo)體薄膜 這類(lèi)薄膜可用氣相外延或液相外延法制造。 氣相外延生長(zhǎng)的GaAs薄膜中，載流子密度大約為1013cm3左右。 在液相外延薄膜中的位錯(cuò)密度與基體位錯(cuò)密度有直接關(guān)系。用控制蒸氣壓溫差法可有效降低基體的位錯(cuò)密度。在最適宜的蒸氣壓條件下位錯(cuò)密度可以控制到少于100個(gè)/ cm2位錯(cuò)。從而改善外延膜的電學(xué)性質(zhì)。 多晶是具有某種尺寸分布的單晶顆粒的集合體

13、。這些晶粒沒(méi)有一定的結(jié)晶方向。在每個(gè)晶粒內(nèi)部有規(guī)則順序排列的原子但沒(méi)有晶格缺陷。在晶粒間界處有顯著的晶格混亂失配。 在單晶中，晶體的性質(zhì)主要取決于位錯(cuò)密度和雜質(zhì)濃度。但在多晶中由于晶粒尺寸分布和擇優(yōu)取向等因素影響，其物理性質(zhì)千差萬(wàn)別。 半導(dǎo)體多晶薄膜的電學(xué)性質(zhì)在很大程度上受晶粒尺寸、晶粒間界及晶粒間界處缺陷密度的影響 非晶半導(dǎo)體薄膜根據(jù)元素化學(xué)性質(zhì)和組合情況分為兩種類(lèi)型：硫硒碲系和四面體系。1）硫硒碲系中都含有二配位的S、Se和Te原子并且組成一維或二維網(wǎng)絡(luò)。彼此之間依靠范德華力聯(lián)結(jié)成分子性較強(qiáng)的固體。2）四面體系是靠原子間強(qiáng)方向性正四體配位的共價(jià)鍵結(jié)合而形成三維的堅(jiān)固網(wǎng)格狀固體。1）硫硒碲系

14、非晶半導(dǎo)體薄膜 用真空蒸發(fā)或陰極濺射等氣相沉積法或液相沉積法制備。 與單晶半導(dǎo)體材料相類(lèi)似，它具有電子傳輸性能、激活型導(dǎo)電、大的熱電勢(shì)及較高的光導(dǎo)性能。 2）四面體系非晶半導(dǎo)體薄膜 典型代表是：非晶硅膜a-Si。 當(dāng)膜厚d非常薄時(shí)，其電導(dǎo)率：式中 0是電子躍遷平均距離；N(Ef)是電子狀態(tài)密度； k是玻耳茲曼常數(shù)； Ef是費(fèi)米能級(jí)；是能量為Ef時(shí)電子波函數(shù)的衰減常數(shù)；B是常數(shù) 。 這類(lèi)半導(dǎo)體薄膜中，應(yīng)用較廣泛的是SnO2、In2O3和Cd2SnO4等半導(dǎo)體薄膜。 它們都是透明導(dǎo)電薄膜，在電學(xué)和光學(xué)方面的應(yīng)用實(shí)例在下表中給出。在電氣應(yīng)用時(shí)對(duì)普通透光性和導(dǎo)電性都有較高的要求。在光學(xué)應(yīng)用時(shí)要求對(duì)可見(jiàn)光和紅外線有較好的選擇反射特性。9.5 其他新型薄膜及性質(zhì)超導(dǎo)薄膜 超導(dǎo)體：在一定的臨界溫度Tc下，電阻值突然變?yōu)?，表現(xiàn)出完全導(dǎo)電體，完全抗磁體，量子凝縮效應(yīng)以及約瑟