半导体薄膜材料的制备研究现状教学教材.ppt
半导体薄膜材料的制备研究现状薄膜制备方法按物理、化学角度来分，有：薄膜制备方法按物理、化学角度来分，有：2.3 2.3 离子成膜离子成膜1).离子镀及其原理：离子镀及其原理：真空蒸真空蒸发与与溅射射结合的合的镀膜技膜技术，在，在镀膜的同膜的同时，采用，采用带能离子能离子轰击基片表面和膜基片表面和膜层，使，使镀膜与离子膜与离子轰击改性同改性同时进行的行的镀膜技膜技术。即利用气体放即利用气体放电产生等离子体，同生等离子体，同时，将膜，将膜层材料蒸材料蒸发，一部分物一部分物质被离化，在被离化，在电场作用下作用下轰击衬底表面（清洗底表面（清洗衬底），一部分底），一部分变为激激发态的中性粒子，沉的中性粒子，沉积于于衬底表面成底表面成膜。膜。（1）空心阴极离子镀空心阴极离子镀（HCD）（2）多弧离子镀）多弧离子镀2).离子镀的分类离子镀的分类二、二、化学气相沉积化学气相沉积(CVD)q气相沉气相沉积过程中沉程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反粒子来源于化合物的气相分解反应，因此，称因此，称为化学气相沉化学气相沉积（CVD），否，否则，称，称为物理气相物理气相沉沉积（PVD）。）。2.1 化学气相沉积的基本概念化学气相沉积的基本概念900C2.2 分分 类2.3CVD的化学反的化学反应700-1000 热分解反分解反应 SiH4 Si+2H2氧化氧化还原反原反应 SiHCl3+H2 Si+3HCl歧化反歧化反应2SiI2 Si+SiI43.1液相外延液相外延 假设溶质在液态溶剂内的溶解度随温度降低而减小，那么当溶液饱和后再被冷却时，溶质析出，若有衬底与饱和溶液接触，则溶质会在适当的条件下外延生长在衬底上。三、其他方法三、其他方法Electrochemical preparation and characterization of three-dimensionalnanostructured Sn2S3 semiconductor films with nanorod network带有纳米棒网络的三维纳米结构硫化锡半导体薄膜的电化学制备方法与特性制备原理：电沉积的理论基础是电解定律。当电流通过电解质溶液时，与电源正极相连的阳极发生氧化反应，与电源负极相连的阴极发生还原反应，在稳态条件下，电子将全部参加反应，在电极表面形成沉积层。制备过程：在含有30 mM Sncl2、100 mM Na2S2O3、60 mM K4P2O4、的溶液中，PH值用HCl稀释，所有物质采用分析纯浓度，沉积在三电极体系中发生，采用恒电压沉积Sn2S3薄膜。采用ITO导电玻璃作为工作电极，pt片作辅助电极，标准甘汞电极作为参考点击；工作电极和辅助电极用丙酮和乙醇超声反复清洗，然后再用蒸馏水清洗，沉积过程要搅拌着保持30的温度20分钟，电压-0.8V，有效沉积面积是12cm2，最后在Ar气环境中，温度在250下退火60分钟。实验原理图：从XRD图中可以看出，沉积的Sn2S3薄膜，除了衬底ITO的衍射峰之外，在31.9,32.5 和 37.9这三个角度还含有相对斜方晶系的Sn2S3的衍射峰，对应于(211),(240)和(250)面，(211)晶面有最大的结构系数1.845，并可以算出晶粒尺寸大约25 nm。热处理之后的衍射峰强度有所增加，此外，在斜方晶系的Sn2S3 薄膜的27.6,30.9 和 33.5处还有三个衍射峰,对应于(230),(310)和(150)面，(310)晶面有最大的结构系数2.269，并可以算出晶粒尺寸大约30nm。热处理提高了薄膜的结晶度图a展现了一个密集的表面覆盖的颗粒形态，颗粒尺寸范围大概是50-100nm，一些立方颗粒长度达到大于300 nm。图b展现了热处理后的薄膜呈现一种棒状纳米结构，直径大约50-100nm，长度大约1000nm，沿着不同方向分布着，中间夹着很深的空隙，形成一种纳米网状结构。该过程是一个熔融再结晶的过程。微观形貌微观形貌根据曲线的切线和X轴的交点可以得出，沉积得到的薄膜能带隙是1.87eV，而热处理的能带隙是1.65eV，发现热处理之后的能带隙减小了，这是半导体薄膜的一个正常现象，这是由于Sn2S3 薄膜的晶体尺寸的增加导致的。能带隙能带隙电气性能有锡空穴的形成P型半导体，有硫空穴的形成N型半导体，热处理后的Sn2S3 薄膜的载流子迁移率高是由于形成了纳米网状结构。电弧蒸汽低温沉积（LTAVD）是一种物理气相沉积方法Schematic diagram of LTAVD制备过程 首先将N型硅衬底加热到900，由于快速热氧化作用在其表面生成SiO2 薄膜，然后通过低温电气相沉积将TiO2薄膜沉积在N型Si和Si/SiO2衬底上。低温电气相沉积的具体过程是：Si/SiO2衬底采用负偏压，放置真空炉中加热到200，真空炉气压为4x10-5mbar（毫巴），Ti电极产生电弧，然后通入氧气形成等离子，沉积在衬底上形成TiO2薄膜。沉积后的薄膜放在通有O2的炉中退火30min，退火温度为500，再缓慢冷却至室温。图(a)和图（b）分别展示了TiO2薄膜通过LTAVD技术在Si衬底和Si/SiO2衬底沉积的X射线衍射模式，它们退火温度均在500。图b中SiO2薄膜与TiO2薄膜都是非晶态的，当退火温度为500，结构开始由非晶态转化为晶态组织，在2=25.30,48.03以及55.06均出现波峰，这些位置分别对应着TiO2（101）、TiO2（200）、TiO2（211）。左图分别为直接在Si衬底上沉积TiO2薄膜、在Si衬底上沉积并退火处理、在Si/SiO2衬底上沉积TiO2薄膜、在Si/SiO2衬底上沉积并退火处理，这些图均没有没有明显的裂纹和孔明显的裂纹和孔，退火温度的增加会导致随机分布的一些集群数量的增加，退火处理后的薄膜表面更光滑，在Si/SiO2衬底上沉积TiO2薄膜退火后效果更明显。退火后效果更明显。使用低温电弧气相沉积能够成功制备一种在Si/SiO2衬底上的无裂纹TiO2薄膜，而直接沉积TiO2薄膜会存在高的界态和漏电电流，退火处理后可减小一个量级。因此，相比其他沉积技术，低温电弧气相沉积可制备低漏电电流的低温电弧气相沉积可制备低漏电电流的TiO2薄膜薄膜。溶解前驱体溶液溶胶凝胶凝胶水解缩聚老化溶胶溶胶-凝胶技术凝胶技术溶胶-凝胶（Sol-Gel）法是一金属有机化合物、金属无机化合物或上述两种化合物作为前驱体，溶于溶剂中形成溶胶，将干净的玻片或其它基片插入溶液，或滴数滴溶液在基片上，用离心甩胶等方法敷于基体表面形成胶体膜，经过水解缩聚反应逐渐凝胶化，在经过干燥、烧结或热处理等后续处理工序，获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金属醇盐溶剂（甲醇、乙醇等）水催化剂（酸或碱）水解和缩聚溶胶陈化涂层成型湿凝胶干凝胶成品干燥热处理1、将不同量的RuCl33.5H2O溶于30ml无水乙醇，在室温下用磁力搅拌器搅拌1h，得到RuO2胶体。2、1mmol TEOS（正硅酸乙酯）分别溶于无水乙醇，并加入少量HCl以催化水解，同样在室温下搅拌2h，得到SiO2胶体。3、将RuO2胶体与SiO2胶体根据不同的Ru/Si比率（1/5,1/10,1/20,1/30）分别混合并搅拌1h，得到RuO2/SiO2混合胶体。4、混合过后的胶体通过旋涂法在清洁的石英基底上得到混合薄膜。5、之后将这些薄膜在60烘烤5分钟。6、最后将这些涂层分别在400、500、700以150立方厘米每分钟的N2流动气氛中热处理30分钟，得到最后的薄膜结构。制备过程制备过程XRD分析结果分析结果 根据XRD分析图谱，我们能明显的看出伴随着热处理温度的升 高，RuO2和SiO2发生了相位分离。四点探针表面电阻测量结果四点探针表面电阻测量结果 随着Ru/Si比率的上升，电阻率在增大，而随着热处理温度的增加，电阻率在不断下降。FTIR光谱检测结果光谱检测结果 检测结果如右图，除了Ru-O和Si-O-Si键的光谱，还有1620cm-1水的光谱，图中可以看出随着热处理温度是升高，Ru-O和Si-O-Si键的波谷振动减弱，经分析，可能是由于RuO发生了分解。紫外光透射率测量结果紫外光透射率测量结果从 图中可以看出，Si/Ru的比例越大，薄膜对紫外光的透射率越大，而热处理之后也可以提高薄膜对紫外光的透射率。载流子浓度检测结果载流子浓度检测结果 经过一台霍尔测量仪检测，发现伴随着热处理温度的上升载流子浓度得到了增加。载流子迁移率经热处理发生了急剧下降，但随着热处理温度升高，载流子迁移率又缓慢的上升。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！30
