厚薄膜材料与器件第四章新型半导体薄膜材料及器件.pptVIP

第四章 新型半导体薄膜材料及器件 新型半导体薄膜材料以非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜为代表，在发光、存储、传感、显示、能源等领域有广泛的用途。 新型半导体薄膜器件正向高效率、长寿命、低价格、高集成等方向发展。 新型半导体薄膜器件的发展以微电子学微基础。 第一节 硅基非晶态半导体薄膜 非晶硅（amorphous silicon）简称a-Si，是当前非晶半导体材料及器件研究的重点和核心。 其可用作大面积、高效率太阳能电池材料，大屏幕液晶显示器和平面显示器，a-Si传感器和摄像管，非晶电致发光器件等。 对非晶半导体的研究不仅在新材料、新器件和新工艺方面具有重要意义，而且对进一步认识固体理论中的许多问题也会产生深远影响。 特点 结构上，非晶半导体的组成原子排列呈长程无序状态，但原子间的键合力十分类似于晶体，即其结构上表现为长程无序、短程有序。因而在能带结构上是定域化的，即电子的迁移率变得十分小，室温下电阻率很高。 可通过改变组分实现物性的连续变化，包括密度、相变温度、电导率、禁带宽度等。 在热力学上处于亚稳态，在一定条件下可转变为晶态。 材料结构、电学及光学性质都十分灵敏地依赖于制备条件与制备方法，因而性能重复性较差。 物理性能各向同性，无周期性结构约束。 容易形成大面积均一性好的薄膜。 a-Si中一般存在大量氢，常称氢化非晶硅，(a-Si:H) Study by Fluctuation electron microscopy Density of states as a function of energy for a-Si and a-Si:H 非晶硅在微电子硅材料中所占比例 非晶硅结构 制备方法 非晶态半导体薄膜制备的技术关键在于避免材料的成核和晶化。通常采用快速冷却的方式。 不同的材料成核和结晶的能力不同，其制备的冷却速率也不一样。 易于实现高冷却速率的制备方法主要有：真空蒸发沉积法、辉光放电化学气相沉积法、溅射沉积法、热丝化学气相沉积法、微波回旋共振化学气相沉积等。 SiH4 的分解过程 辉光放电分解 要使SiH4气体和稀释气体H2分解，需要一定的能量： H2 H + H SiH4 Si ＋ 2H2 SiH4 SiH ＋ H2 ＋ H SiH4 ＋ e(高速) SiH4* ＋ e(低速) SiH4* Si* ＋ 2H2 Schematic concept for the dissociation processes of SiH4 and H2 molecules to a variety of chemical species in the plasma through their electronic-excited states. 生长机理 生成a-Si:H薄膜的主要反应是： SiH(气) ＋ H(气) ? Si(固) ＋ H2(气) 其次，可能出现的反应有： SiH(气) ? SiH(固) SiH(气) ＋ H(气) ? SiH2(固) 氢一方面是形成a-Si:H薄膜的重要反应物，同时其又可能破坏反应生成表面，存在： Si(固) ＋ H(气) ? SiH(气) 这将消除薄膜表面上弱的Si－Si键，重新建立起较稳定的Si－Si键合。 生长设备 The “hot wire” deposition system, which shows great promise for producing amorphous silicon PV devices 薄膜的表面形貌 性能 a-Si薄膜的应用 太阳能电池 太阳能电池薄膜制式调查 太阳能电池 工作原理 p-i-n amorphous silicon solar cell i 层为本征层，是核心部分，是光生载流子的产生区。 Band diagram of a-SiGe:H TCO： Transparent electrode IL ：Insulation film SUS ： Stainless steel substrate 太阳能电池结构 PIN光电二极管 Cartoon illustrating the principal parameters used in modeling photocarriers in semiconductors.bandedge level energies EC and EV, bandgap EG, interband photocarrier generation G, electron and hole mobilit