半導(dǎo)體薄膜制備及光電性能表征

........................半導(dǎo)體薄膜制備及光電性能表征一、試驗簡介ZnO薄膜為例，介紹其性能、生長和應(yīng)用；磁控濺射生長ZnO薄膜；霍爾效應(yīng)介紹；ZnO薄膜的性能測試，以HallZnO薄膜的電學(xué)性能。二、半導(dǎo)體薄膜〔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〕有機半導(dǎo)體。在上述半導(dǎo)體材料中，SiGe1.12eV0.66eV，此類半導(dǎo)體為窄禁帶半導(dǎo)帶底和價帶頂在K空間中是否處在同一位置，還可分為間接帶隙和直接帶隙半導(dǎo)體，Si、Ge為間接帶隙半導(dǎo)體，ZnO、GaN為直接帶隙半導(dǎo)體。本試驗以ZnO為例介紹半導(dǎo)體材料，ZnO在自然界中以礦物的形式存在，人們在爭論應(yīng)用的過程中，先后制備出了多種形態(tài)的ZnO材料，如：粉體、陶瓷體材、體單晶、薄膜和納米構(gòu)造等。薄膜材料指的是利用某些生長技術(shù)，在襯底或基板上沉積一層很薄的材料，厚度通常在nm或μm量級。三、ZnO半導(dǎo)體薄膜ZnO80ZnO是一種Ⅱ-GaN3.37eV。ZnO60meVGaN2a=0.3243nm、c=0.5195nm，Zn-O0.194nm4：4。ZnO的分子量為81.395.606g/cm-3，無毒、無臭、無味、無砂性兩性氧化物，能溶于酸、堿以及氨水、氯化銨等溶液，不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有機溶劑。熔點為l975oC，加熱至1800oC升華而不分解。圖2顯示了常用的一些半導(dǎo)體材料禁帶寬度和晶格常數(shù)的關(guān)系。在全部的寬禁帶半導(dǎo)體中，很小(~1.8%)ZnO可以與CdO或MgO形成ZnCdO或ZnMgOCdO2.3eV，MgO7.7eV，理論上，ZnOCdOMgO形成的三元合金體系可以將禁帶寬度擴2.3~7.7eV的范圍，掩蓋了從紫外到可見光的大局部波譜范圍。ZnO為極性半導(dǎo)體，存在著諸多的本征缺陷〔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，提供電子。IIIAAl、Ga、In是最為常用的，特別是AlZnO〔AZO〕薄膜，10-3~10-4Ωcm量級。圖1 ZnO晶體原子點陣示意圖2半導(dǎo)體材料禁帶寬度和晶格常數(shù)的關(guān)系相對于n型摻雜，ZnO的p10余年不懈努力，試驗室中實現(xiàn)pZnOZnOp型摻雜主要通過以下兩Li、Na、K、Au、Ag、CuZn形成淺受主，產(chǎn)生空穴；另一種是Ⅴ族元素，如NO形成受主，產(chǎn)生空穴，摻入P、As、Sb等也可以產(chǎn)生空穴。目前爭論N替代-H–法。NO受主能級深(200meV)，空穴激活難；NZnO中固溶度低(1013/cm3)，摻入ZnO中氧空位缺陷密度高，自補償嚴(yán)峻。ZnO薄膜的生長，而且生長溫度一般較低，這有利于減低設(shè)備本錢，抑制固相外集中，提高薄膜質(zhì)量，也易于實現(xiàn)摻雜。薄膜生長方法可大致分4種：物理氣相沉積〔PVD、化學(xué)氣相沉積〔CVD、液相外延〔LP、濕化學(xué)方法〔WCM。物理氣相沉積包括很多種方法，如濺射、蒸發(fā)、脈沖激光沉積PL、分子束外延〔MB〕等?；瘜W(xué)氣〔MOCVCVDCV襯底上生成單晶薄膜的方法，目前應(yīng)用較少。濕化學(xué)方法有很多種，如溶膠-凝膠、噴霧熱分解、液相電沉積等。ZnO是一種多功能氧化物材料，在光電、壓電、熱電、鐵電、鐵磁等各個領(lǐng)域都具有優(yōu)異的ZnOp型摻雜的實現(xiàn)，ZnO薄膜作為一種型的光電材料，在紫外探測器、LED、LD等領(lǐng)域有著巨大的進展?jié)摿?。ZnO在應(yīng)用方面具有很多明顯的優(yōu)勢：原料豐富，價格低廉；成膜性能好，外延生長溫度低；有商用體單晶，可以進展同質(zhì)外延；是一種環(huán)境友好材料，生物兼容性好等。四、ZnO薄膜濺射〔Sputtering〕是建立在氣體輝光放電的根底上，利用氣體輝光過程中產(chǎn)生的正離子與靶IC平面器件工藝具有兼容性，對設(shè)備要求不高，生產(chǎn)本錢較低。兩極間通入工作氣體，在此以氬氣〔Ar〕為例，當(dāng)兩極間施加高壓時，電極間的Ar發(fā)生電離，沒Ar+向陰極作加速運動，撞擊陰極靶材。Ar+與靶材原子作動能交換，靶材原子獲得的能量大于金屬的逸出功時，將離開靶僅跟電場，磁場的強度和分布有關(guān)，而且還跟電子電離時的運動狀態(tài)有關(guān)。在磁控濺射系統(tǒng)中，一次電子〔在等離子體中Ar原子電離出來的電子〕有兩個特點：其一，運動路徑由直線運動變成了螺旋運動，運動路程大大增長，因此，它同Ar原子的碰撞幾率明顯增加，最終使得Ar原子的離化率大大提高。其二，某些可能飛向襯底的一次電子由于受磁場影響作從而對襯底上的薄膜因轟擊而損傷的程度也大為降低。磁控濺射中的放電過程是特別陰極輝光放電，放電產(chǎn)生的等離子體Ar+盡管也受到磁場同樣的洛倫茲力，但由于Ar+靠近陰極，且其質(zhì)量大〔1860MAr跑向靶面時，受磁場的影響是很小的。因此，Ar離子根本上是垂直撞擊靶面。靶材外表原子由于受高能Ar+轟擊而被轟出外表。當(dāng)濺射的原子到達襯底后，由于粘附力的作用，其中大局部沉積在襯底上形成薄膜。磁控濺射放電根本上抑制了二極濺射的“低速高溫”的致命缺點，沉積速率較后者大為提高；同時，它又保持了濺射鍍膜的優(yōu)點，即濺射粒子到達這樣，薄膜中的空隙變得更小、更少，薄膜更致密。同時，又由于粒子到達襯底時動能很大，與襯底的結(jié)合很結(jié)實。直流濺射中靶材只接收正離子,假設(shè)靶材是絕緣材料,陰極外表聚攏的大量正離子無法被電子中和使其電位不斷上升,陰陽兩極電勢減小,使濺射不能持續(xù)進展。射頻濺射原理:交變電場使得靶材正半周接收電子,負(fù)半周接收正離子,相互中和,從而使陰陽兩極電位的大小保持穩(wěn)定,使濺射能夠持續(xù)進展。ZnO作靶材，用射頻濺射解決13.56MHz34為一種多功能磁控濺射鍍膜機示意圖。............4多功能磁控濺射鍍膜機材料也可以是絕緣材料。600L/S1臺，質(zhì)1臺，223英寸可鍍磁性材料的專用磁控濺射...............靶，真空室配有可加熱襯底從室溫到800℃的自旋轉(zhuǎn)帶擋板樣品臺一個，烘烤照明系統(tǒng)一套。設(shè)備主體均為優(yōu)質(zhì)不銹鋼制造，耐腐蝕、抗污染、漏率?。辉O(shè)備電控局部承受先進的檢測和掌握系統(tǒng)；設(shè)備的基片加熱溫度、靶頭與基片的距離、充入氣體的流量、基片架的旋轉(zhuǎn)速度、射頻5×10-5Pa；冷卻水用量：2L/min；設(shè)備總功率：7.8KW。設(shè)備操作流程如下：關(guān)閉狀態(tài)。翻開水源，確定各路水路是否暢通、有無滲漏。如有問題，需準(zhǔn)時解決，這是格外重要的。翻開總電源，檢查三相指示是否正常，其他電源都應(yīng)處在關(guān)閉狀態(tài)。翻開復(fù)合真空計，檢查真空室內(nèi)是否有真空度，依據(jù)真空度的狀況分別承受以下兩種抽氣方式。方式一，對于真空度≥20Pa的狀況，操作方式為：啟動機械泵，啟動預(yù)抽閥，快速翻開CF-35旁抽角閥〔要全翻開20Pa時，先關(guān)閉CF-35動前級閥再翻開插板閥〔肯定要開到位，啟動分子泵，抽至所需真空度。方式二，對于真空度＜20Pa的狀況，操作方式為：啟動機械泵，啟動前級閥，翻開插板閥〔肯定要開到位，如遇開啟費力，則應(yīng)馬上通知相關(guān)人員檢查或修理，千萬不行用蠻力開啟，啟動分子泵電源，抽至所需真空度真空室抽至所需本底工作真空后〔510-4Pa，此時可緩慢翻開CF-16充氣角閥，待真空度穩(wěn)定后，對需要使用的電源進展預(yù)熱。翻開所需氣體的氣瓶抽速，將真空度掌握在工藝要求的范圍內(nèi)，此時就可以進展正常的濺射鍍膜。關(guān)閉設(shè)備時，要先關(guān)閉濺射電源、樣品架加熱電源，樣品架旋轉(zhuǎn)電源，再關(guān)閉氣瓶，進CF-165×10-4Pa時，關(guān)閉插板閥。如要取樣片，可在確認(rèn)真空室內(nèi)溫度不高于100℃時翻開放氣閥，最好能通過放氣閥充入枯燥氮氣。待真空室內(nèi)為1個大氣壓時，關(guān)閉放氣閥，啟動升降機構(gòu)。取出被鍍樣品，最好能同時裝上樣品，啟動升降機構(gòu)，落下真空室上蓋，再按步驟“4”方式一操作，將真空度抽至CF-1500時，關(guān)閉機械泵，關(guān)閉總電源開關(guān)。15分鐘后，關(guān)閉水源。五、Hall效應(yīng)介紹ab之間就會消滅橫向電勢差U。這種現(xiàn)象是霍爾首先覺察的，因此，稱之為霍爾效應(yīng)，導(dǎo)體板兩側(cè)形成的電勢差U稱5Hall1×b×dZ軸方向，大小BXIYV，大小為：Z X H其中，RHHall系數(shù)。對于實際半導(dǎo)體而言，通常都同時存在空穴和電子兩種載流子，理論計算可得出，...p=0；假設(shè)電子n=0.利用霍爾效應(yīng)，可以測定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率和電阻率；還可以制備霍爾器件。5霍爾效應(yīng)示意圖6Hall測試電極制備示意圖六、Hall測試HL5000Hall測試儀，可以測試半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、方塊電阻、電阻率、載流子遷移率、霍爾系數(shù)等?？墒褂梅兜卤悠坊驐l形、橋型樣品。對于半導(dǎo)體薄膜如ZnO薄膜，樣品要求：外形為方形，6mm~12mm為宜；襯底必需絕緣，無裂紋和空洞，否則無法進展霍爾測試。電極要求：樣品必需與金屬探針(Pt)形成良好的歐姆接觸，在樣品的四個角上焊上In電極，如6Hall測試構(gòu)造造成影響。Hall測試是否牢靠，推斷依據(jù)如下：I-V曲線為線性，且不同探針對間的接觸電阻相當(dāng)，至少在同一個數(shù)量級。SymFactorSym1.5，F(xiàn)actor0.9。2-41-3Hall電壓這兩個數(shù)值的符號、大小很重要。對一般的材料來說，要np型樣品會存在空穴和電子兩種載流子，依據(jù)半導(dǎo)體物理，Hall測試過程中在“高溫”下會出...............現(xiàn)兩者為異號的狀況。連續(xù)屢次測量，由于溫度效應(yīng)會使測量不準(zhǔn)確。七、試驗結(jié)果與爭論本試驗測試結(jié)果見附頁，其中電阻率Rs=1.337×104ohm/sq，遷移率RHs=-12.5m2/C，載流子濃度Ns=-4.995×1013/cm2。依據(jù)、B=0.508T、d=0.300μm，計算RH=-2.568×10-3。由于遷移率和霍爾系數(shù)都是負(fù)值，即導(dǎo)電載流子主要是帶負(fù)電的電子，所以此ZnO薄膜樣品n型。明接觸探針與樣品之間形成了良好的歐姆接觸。2.1