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《半導(dǎo)體薄膜制備及光電性能表征》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、半導(dǎo)體薄膜制備及光電性能表征一、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介《半導(dǎo)體薄膜》實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容：半導(dǎo)體薄膜簡(jiǎn)介，以ZnO薄膜為例，介紹其性能、生長(zhǎng)和應(yīng)用；磁控濺射生長(zhǎng)ZnO薄膜；霍爾效應(yīng)介紹；ZnO薄膜的性能測(cè)試，以Hall測(cè)試來(lái)表征ZnO薄膜的電學(xué)性能。二、半導(dǎo)體薄膜半導(dǎo)體薄膜的基本分類可如下：（1）Ⅳ族半導(dǎo)體，如Si、Ge、金剛石等，為元素半導(dǎo)體；SiC等，為化合物半導(dǎo)體。（2）Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，如Zn、Cd與O、S、Se、Te形成的化合物，主要有CdS、ZnSe、ZnO等，為化合物半導(dǎo)體。（3）Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體，如Al、Ca、In與N、P、As等形成的化合物，主要有InP、GaAs
2、、GaN等，為化合物半導(dǎo)體。（4）復(fù)雜化合物半導(dǎo)體，如Cu（In，Ga）Se2等。（5）有機(jī)半導(dǎo)體。在上述半導(dǎo)體材料中，Si和Ge的禁帶寬度分別是1.12eV和0.66eV，此類半導(dǎo)體為窄禁帶半導(dǎo)體；ZnO和GaN的禁帶寬度均約為3.37eV，此類半導(dǎo)體為寬禁帶半導(dǎo)體。另外，按照能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶底和價(jià)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。本實(shí)驗(yàn)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?cè)谘芯繎?yīng)用的過(guò)程中，先后制備出了多種形態(tài)的ZnO材料，如：粉體、
3、陶瓷體材、體單晶、薄膜和納米結(jié)構(gòu)等。薄膜材料指的是利用某些生長(zhǎng)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(jí)。三、ZnO半導(dǎo)體薄膜ZnO是一種“古老”而又“新穎”的材料，ZnO很早便作為一種陶瓷結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，而ZnO作為一種半導(dǎo)體材料的研究則始于上世紀(jì)80年代。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，同GaN一樣，為直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度3.37eV。ZnO激子結(jié)合能為60meV，是GaN（25meV）的2倍多，可以實(shí)現(xiàn)室溫甚至高溫的激子復(fù)合發(fā)光，是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料。ZnO晶體有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)。自然條件下，其
4、結(jié)晶態(tài)是單一穩(wěn)定的六方纖鋅礦（Wutzite）結(jié)構(gòu)，屬六方晶系，圖1為不同視角下的結(jié)構(gòu)示意圖。分子結(jié)構(gòu)的類型介于離子鍵和共價(jià)鍵這之間。晶格常數(shù)為a=0.3243nm、c=0.5195nm，Zn-O間距為0.194nm，配位數(shù)為4：4。ZnO的分子量為81.39，密度為5.606g/cm-3，無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)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(jī)溶劑。熔點(diǎn)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。在所有的寬禁帶半導(dǎo)體中，ZnO與GaN最為接近，有相
5、同的晶體結(jié)構(gòu)、相近的晶格參數(shù)和禁帶寬度，ZnO與GaN的晶格失配很小(~1.8%)。ZnO可以與CdO或MgO形成ZnCdO或ZnMgO三元合金。CdO的禁帶寬度為2.3eV，MgO的禁帶寬度為7.7eV，理論上，ZnO和CdO或MgO形成的三元合金體系可以將禁帶寬度擴(kuò)展到2.3~7.7eV的范圍，覆蓋了從紫外到可見(jiàn)光的大部分波譜范圍。ZnO為極性半導(dǎo)體，存在著諸多的本征缺陷（如：Zn間隙Zni和O空位VO等），天然呈n型。ZnO可供選擇的施主摻雜元素很多，包括IIIA族元素（如B、Al、Ga、In）、IIIB族元素（如Sc和Y）、IVA族元素（如Si、G
6、e和Sn）、VIB族元素（如Ti和Zr）、VB族元素（如V和Nb）、VI族元素（如Mo），他們摻入ZnO取代Zn，提供電子。此外，摻入F、Cl等VII族元素O，提供電子。IIIA族元素Al、Ga、In是最為常用的，特別是Al摻雜ZnO（AZO）薄膜，10-3~10-4Ωcm量級(jí)。圖1ZnO晶體原子點(diǎn)陣示意圖圖2半導(dǎo)體材料禁帶寬度和晶格常數(shù)的關(guān)系相對(duì)于n型摻雜，ZnO的p型摻雜困難得多。全世界科學(xué)家10余年不懈努力，實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定且低阻的p型ZnO薄膜，但離實(shí)用化還有不小的距離ZnO的p型摻雜主要通過(guò)以下兩個(gè)途徑：一種是Ⅰ族元素，如Li、Na、K、A
7、u、Ag、Cu等，替代Zn形成淺受主，產(chǎn)生空穴；另一種是Ⅴ族元素，如N替代O形成受主，產(chǎn)生空穴，摻入P、As、Sb等也可以產(chǎn)生空穴。目前研究最多的是N元素?fù)诫s，多元素?fù)诫s技術(shù)：N替代-H鈍化、施主–受主共摻雜、雙受主共摻雜等方法。N替代O受主能級(jí)深(200meV)，空穴激活難；N在ZnO中固溶度低(平衡態(tài)1013/cm3)，摻入難；本征ZnO中氧空位缺陷密度高，自補(bǔ)償嚴(yán)重。目前，幾乎所有的制膜技術(shù)均可用于ZnO薄膜的生長(zhǎng)，而且生長(zhǎng)溫度一般較低，這有利于減低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。薄膜生長(zhǎng)方法可大致分4種：物理氣相沉積（PVD
8、）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、液相外延（LPE）、濕化學(xué)方法（WCM
