厚薄膜材料與器件新型半導體薄膜材料及器件第1頁/共50頁

特點結構上，非晶半導體的組成原子排列呈長程無序狀態，但原子間的鍵合力十分類似于晶體，即其結構上表現為長程無序、短程有序。因而在能帶結構上是定域化的，即電子的遷移率變得十分小，室溫下電阻率很高。可通過改變組分實現物性的連續變化，包括密度、相變溫度、電導率、禁帶寬度等。第2頁/共50頁在熱力學上處于亞穩態，在一定條件下可轉變為晶態。材料結構、電學及光學性質都十分靈敏地依賴于制備條件與制備方法，因而性能重復性較差。物理性能各向同性，無周期性結構約束。容易形成大面積均一性好的薄膜。a-Si中一般存在大量氫，常稱氫化非晶硅，(a-Si:H)第3頁/共50頁StudybyFluctuationelectronmicroscopyQualitativepictureofvarianceofthediffractedintensityfrom:(a)acompletelyrandomcollectionofatomsand(b)asampleconsistingofrandomlyorientedorderedclusters.

(a)issmallandshowslittledependenceontheimagingconditions.

(b)islarge,andvariessignificantlywiththeimagingconditions.第4頁/共50頁Densityofstatesasafunctionofenergyfora-Sianda-Si:H第5頁/共50頁非晶硅在微電子硅材料中所占比例第6頁/共50頁非晶硅結構第7頁/共50頁

制備方法非晶態半導體薄膜制備的技術關鍵在于避免材料的成核和晶化。通常采用快速冷卻的方式。不同的材料成核和結晶的能力不同，其制備的冷卻速率也不一樣。易于實現高冷卻速率的制備方法主要有：真空蒸發沉積法、輝光放電化學氣相沉積法、濺射沉積法、熱絲化學氣相沉積法、微波回旋共振化學氣相沉積等。第8頁/共50頁SiH4

的分解過程

輝光放電分解要使SiH4氣體和稀釋氣體H2分解，需要一定的能量：H2H+HSiH4Si＋2H2SiH4SiH＋H2

＋HSiH4

＋e(高速)SiH4*

＋e(低速)SiH4*Si*

＋2H24.6eV4.4eV5.9eV第9頁/共50頁SchematicconceptforthedissociationprocessesofSiH4andH2moleculestoavarietyofchemicalspeciesintheplasmathroughtheirelectronic-excitedstates.第10頁/共50頁

生長機理生成a-Si:H薄膜的主要反應是：SiH(氣)＋H(氣)Si(固)＋H2(氣)其次，可能出現的反應有：SiH(氣)SiH(固)SiH(氣)＋H(氣)SiH2(固)氫一方面是形成a-Si:H薄膜的重要反應物，同時其又可能破壞反應生成表面，存在：Si(固)＋H(氣)SiH(氣)這將消除薄膜表面上弱的Si－Si鍵，重新建立起較穩定的Si－Si鍵合。第11頁/共50頁

生長設備ECR-CVDsystem第12頁/共50頁The“hotwire”depositionsystem,whichshowsgreatpromiseforproducingamorphoussiliconPVdevices第13頁/共50頁

薄膜的表面形貌AFMimagesofa-SifilmatdifferentHconcentrationsintheprocessgas,(a)0%;(b)20%and(c)49%.Thesefilmswerepreparedby2ECRplasmasputteringatroomtemperature,onquartz.Thicknessoffilmswas500nm.第14頁/共50頁

性能Somepropertiesofa-Si:Handa-SiGe:H第15頁/共50頁a-Si薄膜的應用DEVICEPRODUCTSPhotovoltaiccellPhotovoltaicmodules,Calculators,watches,batterychargers,etcPhotoreceptorElectrophotography,LEDprintersPhotoconductorColoursensors,lightsensors,etc.ImagesensorContact-typeimagesensors,electronicwhiteboards.SolarcontrollayerHeat-reflectingfloatglass.Thin-filmfield-effecttransistorDisplays,television,logiccircuitsforimagesensors.High-voltagethin-filmtransistorPrinters.

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太陽能電池太陽能電池薄膜制式調查第17頁/共50頁太陽能電池

工作原理p-i-namorphoussiliconsolarcelli層為本征層，是核心部分，是光生載流子的產生區。第18頁/共50頁Banddiagramofa-SiGe:H第19頁/共50頁TCO：TransparentelectrodeIL：InsulationfilmSUS：Stainlesssteelsubstrate第20頁/共50頁太陽能電池結構第21頁/共50頁PIN光電二極管Thepin

diodestructure第22頁/共50頁Cartoonillustratingtheprincipalparametersusedinmodelingphotocarriersinsemiconductors.

bandedgelevelenergiesECandEV,bandgapEG,interbandphotocarriergenerationG,electronandholemobilitieseandhanddensitiesnandp,andelectron–holerecombinationR.第23頁/共50頁a-Sip-i-ndiodeI-Vcurveunderdifferentilluminationintensities第24頁/共50頁PIN光電二極管的應用PIN光電二極管的應用領域很廣，主要用作：通訊用光電探測器、光接收器；各種通信設備收發天線的高頻功率開關切換和RF領域的高速開關；各種家電遙控器的接收管(紅外波段)、UHF頻帶小信號開關、收音機BC頻帶到1000MHZ之間電流控制可變衰減器等。第25頁/共50頁可見光/紅外探測器Thedevicebehaveslikeaback-to-backdiode.Theappliedvoltageforwardbiasesonediodeandreversebiasestheotherone.Thevisiblespectrumoftheimpinginglightisabsorbedbytheamorphouslayersandonlythelong-wavelengthregionofthespectrumradiationreachesthec-Sijunction.Thenthemeasuredcurrentisduetothecarriersphotogeneratedinthep-dopedcrystallinematerial,wheretheymovebydiffusion.Ontheotherside,whentheamorphousp-i-ndiodeisreverselybiasedthemeasuredcurrentisduetothecarriersphoto-generatedinthea-Si:Hintrinsiclayerwheretheymovebydrift.Short-wavelengthlightisthendetected.SensorsandActuatorsA88(2001)139-145第26頁/共50頁UncooledIRfocalplanearraya320x240pixelarraywithapitchof45m.asinglestagethermoelectrictemperaturestabilizer,integratedintoaminiaturizedpackage.Material:Resistiveamorphoussilicon.第27頁/共50頁Ahistogramplotofthesensitivityofacomponentpolarizedwith3VoltsThemeanvalueofthesensitivityisabout9,6mV/Kwithanonuniformity(standarddeviation/meanvalue)of1.5%.第28頁/共50頁Thermographs第29頁/共50頁

在液晶顯示器中的應用ITOElectrode（a）AMLCD截面；（b）AMLCD顯示元結構第30頁/共50頁

在TFT元件的應用第31頁/共50頁a-SiTFT元件制備工藝流程第32頁/共50頁Aresearcherworksonacommerciallithographymachine,whichisamicrocircuitmanufacturingdevice.第33頁/共50頁a-Si:HTFTs液晶顯示器截面結構示意圖第34頁/共50頁第35頁/共50頁第二節多晶硅和微晶硅薄膜盡管a-Si:H薄膜在光學方面有很大的優點，但在電學性質方面因載流子的遷移率低，極大地限制其應用。因而發展氫化微晶硅（c-Si:H）和多晶硅（poly-Si:H）薄膜是很必要的。微晶硅和多晶硅具有很多優良性質，可在低溫下大面積生長，容易進行摻雜，可制作歐姆接觸層，具有較高的電導率，等等。第36頁/共50頁

c-Si:H薄膜的生長方法基于高氫氣稀釋比、高功率密度的PECVD技術；用氫等離子體退火處理a-Si:H薄膜；電子回旋共振等離子體沉積技術；熱絲或催化CVD沉積技術。第37頁/共50頁Schematiccross-sectionofahot-wiredepositionchamberatUtrechtUniversity.Itbasicallycontainsasubstrateholder,ashutter,ahot-wireassembly,agasinletandapumpport.Thesubstrateholderisoptionallyheatedusingtheexternalheater.熱絲CVD第38頁/共50頁c-Si:H薄膜生長機理Si(固體)SiH4SiHxSiHn擴散粒子－HHeSiH4[SiH4]Si＋m[H]等離子體12第39頁/共50頁c-Si:H從a-Si:H相中成核相第40頁/共50頁Schematicdiagramofso