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1、Chap3 硅及其光电子器件,3.1 硅的特性3.2 硅的发光3.3 硅太阳能电池,半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一，它在微电子领域具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。当前，国际上已经发展并且最有前途的半导体材料有：硅(Si）、锗(Ge)（第一代半导体材料）、III-V 族化合物（GaAs, InP 等，第二代半导体材料），II-VI 族化合物等单晶（CdSe 等），IV-IV 族化合物（SiC 等，第三代宽带隙半导体）单晶、微晶、纳米晶和非晶半导体。,半导体材料的品种很多，从无机材料到有机材料。其中有元素半导体，也有化合物半导体及固溶体。在化合物半导体中又有二元和多元化台物
2、及其固溶体。,3.1 硅的特性,在元素周期表中，金属和非金属元素之间有12种具有半导体性质的元素，它们是B、C、Si、Ge、灰-Sn、P、灰-As、黑-Sb、S、Se、Te、I。 但它们的大多数都是不稳定的，如S、P、As、Sb、I都易挥发。除Se可以做光电池外、整流器外，基本上没有什么应用价值，只有Ge、Si性质优越，是应用广泛的半导体材料。,3.1 硅的特性,Ge的导带底处在K空间的方向，因此具有8个对称的导带。但它们处在布里渊边缘上，与相邻的布里渊区共有一个导带，因此属于第一布里渊区的导带数为4个。 硅的导带底处在方向上，离K=0点约2/3左右处，因此它具有6个对称的导带。 Ge和Si的
3、价带都处于K=0点处，它的结构比较复杂。,3.1 硅的特性,mi*是与主轴垂直方向的有效质量，ml*是与主轴平行方向的有效质量。空穴的有效质量有两种：m1*是轻空穴的有效质量，m2*是重空穴的有效质量。,3.1 硅的特性,备课用,3.1 硅的特性,硅的化学键-共价键,硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子， 构成4个共价键。由于轨道杂化，形成SP3 杂化轨道，从而形成共价键。 其半导体特性源于共价键。共价键决定了硅的晶体结构为金刚石结构。4个最近邻原子形成共价四面体。,3.1 硅的特性,硅晶体中111面是双原子层面，(111) 面中两原子面之间的距离为2.35，（111
4、）面之间的距离是0.78，因此（111）面间距有大小距之分。,111面间距最大，键密度最小，其次是110面，100面间距最小，键密度最大，因此，111 面易断裂，其次是110面，解离面是111、 110。,3.1 硅的特性,3.1 硅的特性,表面悬挂键不同，溶解速率（腐蚀）呈现各项异性。表面悬挂键密度增加，腐蚀速率大。如在水-已二胺-邻苯二酚溶液中， 、晶向的腐蚀速率约为：50：30：3um/h。 生长速率也具有各项异性。一般生长最慢的晶向是垂直于密排面的晶向。密排面具有最低比表面能，较易在生长界面上发育。 硅的生长习性呈8个111面，在熔体自由表面形成晶体的生长速率是晶向最大， 晶向最小。不
5、过目前的硅晶体生长工艺下，实际上晶体比晶体生长快。 111晶向硅，由于其高的结晶学质量，应用于合金结器件和双极性晶体管器件。100晶向硅，由于其表面太密度低和生长速率快，更多的应用于集成电路。 热氧化速率沿（111）面快。,3.1 硅的特性,在111、100和k=0点的能带图。,价带由3个能带组成，自旋轨道的相互作用使之在k=0处分裂成2个较高（V1和V2）的和1个较低（V3）的能带。V1和V2 能带最大值在k=0交于一点，V1和V2的等能面是扭曲的。V1能带空穴有效质量大，称为重空穴，V2 空穴有效质量小，称为轻空穴。mV1*=0.49m0, mV2*=0.16m0 导带有3个能谷，最低能谷
6、在100方向，有5个等同的极小值。另两个能谷相距较远，一般说电子数目较少，硅的半导体电学性质主要由100方向上的最低能谷决定，有效质量：ml*=0.916m0, mt*=0.190m0,3.1 硅的特性,目前CMOS器件特征尺寸已经从微米级发展到亚100nm级，对于缩小100nm尺度内的CMOS器件存在一些物理和工艺问题。,在特征尺寸不断缩小的过程中，继承电路的实现存在着许多挑战，针对亚100nm工艺，主要有三个技术层次上的挑战：光刻技术、器件的设计与制备技术、互连技术。 纳米CMOS器件新物理效应：沟道减小到一定程度后出现了一些新物理效应： （1）影响阈值电压的短沟道效应和窄沟道效应 （2）
7、迁移率退化及载流子速度饱和效应 （3）影响器件寿命的热载流子效应 （4）造成亚阈特性退化的漏感应势垒降低效应 （5）源漏串联电阻的影响 （6）互连集成技术的挑战 （7）多晶硅耗尽效应 （8）其他物理量子效应,3.2 硅的发光,3.2 硅的发光,3.2 硅的发光,硅的发光,硅是一种间接带隙半导体材料，Eg=1.12eV,仅低温下有极弱的光致发光。 电子的间接跃迁过程还与其他非辐射复合过程竞争，如俄谒过程、自由载流子吸收过程等。 硅不是合适的发光材料，直接在硅材料上实现光电子集成几乎不可能。 硅材料资源广、价格廉、纯度高，硅平面工艺精细，是相当长一段时间不能代替的微电子材料。依然希望获得光电子集成
8、。,人们考虑用多孔硅、硅的纳米晶体、掺Er硅纳米晶、硅的拉曼散射等方式实现发光。,3.2 硅的发光,3.2 硅的发光,3.2 硅的发光,多孔硅的制备：方法很多，最常用的方法是电化学腐蚀，把硅片作为阳极在HF酸溶液中通以电流进行阳极氧化。多孔硅是由许多纳米量级的硅晶粒组成的无序固体，其无规则性的一个原因可能是由于腐蚀的随机性造成的。,3.2 硅的发光,多孔硅是由许多纳米量级的硅晶粒组成的无序固体，量子限制模型认为纳米量级的晶体结构使电子和空穴被限制在一个很小的空间范围内，使得本来是间接带隙的硅晶体中电子与空穴间接复合的概率增加，从而提高了发光效率。PL谱很宽，从紫外到近红外的范围，且通过改变孔的
9、密度可以调节峰值波长。,3.2 硅的发光,发光峰值随腐蚀时间的增长发生蓝移。是因为多孔硅中硅晶粒的尺寸随腐蚀时间增长而变小，量子限制效应增大了硅晶粒带隙。,3.2 硅的发光,衬底相同，空隙率不同时的发光： 峰值为2.0eV 左右样品的多孔度约为90%，大于这个数值时，容易破碎，重复性差。,多孔硅的发光不稳定，随储藏时间发生蓝移，效率也发生变化。,3.2 硅的发光,多孔硅电致发光,EL机制：认为是一种少子注入机制，也有人认为是 电子和空穴从多孔硅两侧同时注入的结果 。,3.2 硅的发光,掺Er硅纳米晶体 是直径在几个纳米范围内的硅晶体颗粒，目前广泛研究的是嵌埋于SiO2 基体内的掺Er硅纳米晶体
10、。 制备方法主要有：离子注入、溅射、等离子体PECVD等方法，这些方法得到的纳米晶硅尺寸分布较宽，不均匀。 比较均匀的方法有分离硅烷等方法，纳米晶的尺寸可控制在1nm左右。,硅纳米晶被激发后的能量传递给Er3+ ，出现1.54um的光，随着Er掺杂浓度的增大，硅纳米晶的发光减弱，1.54um发光增强。,3.2 硅的发光,Si:Er LED需要制备PN器件， Libertino等人报道了一种Si：Er（Er，O）的LED,3.2 硅的发光,未来50年人类面临的十大问题挑战,1. 能源 2. 水 3. 食物 4. 环境 5. 贫穷 6. 恐怖主义和战争 7. 疾病 8. 教育 9. 民主 10.人
11、口,3.3 硅太阳能电池,传统化石能源,不可再生、环境污染、能源枯竭,可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等,资源丰富、利用方便、洁净无污染,中华人民共和国 国家发展和改革委员会中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,煤,其他,世界的能源结构,能源结构调整,每年排放的二氧化碳达210万吨 化石能源开采高峰20202030年,石油,天然气,其他,煤,为什么太阳能电池？,3.3 硅太阳能电池,太阳辐射和气团,为什么太阳能电池？,3.3 硅太阳能电池,48%,太阳光谱图,为什么太阳能电池？,3.3 硅太阳能电池,我国有丰富的太阳能资源，具有开发利用太阳能的有利条件。,为什么太阳能电池
12、？,3.3 硅太阳能电池,地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。 包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。,为什么太阳能电池？,3.3 硅太阳能电池,太阳电池的分类,简单地说，太阳电池就是将太阳的光能转化为电能的器件,什么是太阳能电池？,3.3 硅太阳能电池,太阳能电池对材料的要求,半导体材料的禁带不能太宽要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定,3.3 硅太阳能电池,各类太阳能电池的制
13、造方法及研究状况,3.3 硅太阳能电池,3.3 硅太阳能电池,2005年世界光伏市场中，各种太阳能电池 占据的比重,3.3 硅太阳能电池,硅的带隙宽度11 eV，且是间接迁移型半导体，本来不是最合适的材料，但硅的蕴藏量十分丰富，而且对硅器件的加工有着深入的研究，因此，目前的太阳能电池主要还是用硅材料；砷化镓带隙宽度14 eV，是直接迁移型半导体，光电转换 效率高，但价格较贵，仅用于太空。非晶硅薄膜太阳能电池价格便宜，但转换效率不高，而且性能容易劣化；铜铟镓硒薄膜太阳能电池开发时间还不长，是较有前途的新型低成本太阳能电池。,3.3 硅太阳能电池,单晶硅太阳能电池,3.3 硅太阳能电池,单晶硅太阳
14、能电池是最早发展起来的。1954年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%，这也是世界上第一个实用的太阳能电池。目前，单晶硅电池是除了GaAs以外效率最高的太阳能电池，稳定性好，并且实现了规模化生产。,研究现状及发展前景,3.3 硅太阳能电池,最新动态是单晶硅向超薄、高效发展。不久将来，可有100um左右甚至更薄的单晶硅电池问世。德国的研究已经证实40um的单晶硅电池的效率可达20%，有可能借助改进的生产工艺实现超薄单晶硅电池的工业化生产，并可能达到已在实验室获得的效率值。单晶硅电池在实验室实现的转换效率可达24.7%，为澳大利亚南威尔士大学创造并保持。代表性的
15、单晶硅电池的商品主要有荷兰Shell Solar，西班牙Isofoton，印度Microsol等厂家。,3.3 硅太阳能电池,单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，多以p型单晶硅片为基片，其电阻率范围为1-3cm，厚度一般为200-300um。 由于单晶硅材料大都来自半导体工业退下的废次品，因而一些厂家利用的硅片厚度达到0.5-0.7mm，由于这些硅片的质量完全满足太阳电池的要求，用来做太阳能电池可得到很好的效果，一般很容易达到15%以上。,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到
16、P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,置于光照下的PN结,E,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,置于光照下的PN结,E,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,置于光照下的PN结,E,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,置于光照下的PN结,E,Une,单晶硅电池的结构组成及工作原理,3.3 硅太阳能电池,太阳电池的基本特征参数,无光照时有类似二极管特性，外加电压时的单向电流ID称为暗电流；有光照时产生光生电流IL；Rs、Rsh分别为太阳电池中的串、并联电阻（串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻、电极和半导体之间的接触电阻以及电极电阻。并联电阻主要来源于p-n结漏电，其中包括电池边缘漏电以及结区存在缺陷和杂质引起的内部漏电）；RL为负载。,PN结太阳电池的等效电路图,3.3 硅太阳能电池,无光照条件下，太阳电池有类似二极管伏-安特性的曲线，称为暗特性曲线。 有光照条件下产生与暗电流方向相反的光生电流，习惯上以光生电流为正向绘制伏-安特性曲线。,
