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1、第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成薄膜材料物理研究生课程 参考教材：参考教材：薄膜物理，曲喜新编著，上海科学技术出版社 1986，上海薄膜物理，薛增泉、吴全德、李洁，电子工业出版社，1991，北京第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成课程主要内容课程主要内容第一章：薄膜的形成第二章：薄膜的力学性质第三章：金属薄膜的电导第四章：薄膜的表面和界面第五章：介质薄膜的电学性质第六章：压电薄膜的电学性质第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 机械方法（涂上）机械方法（涂上） 薄膜材料制备薄膜材料制备 物理方法（物理气相沉积物理方法（物理气相沉积PVDPVD） 化学方法（
2、化学气相沉积化学方法（化学气相沉积CVDCVD）第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第一讲第一讲本章主讲物理气相沉积（本章主讲物理气相沉积（PVDPVD）: :磁控溅射、热蒸发、磁控溅射、热蒸发、 二级溅射等。二级溅射等。气相气相 吸附相吸附相 固相固相 单个原子吸附在基体上，由几个被吸附的单个原子相单个原子吸附在基体上，由几个被吸附的单个原子相互结合形成小原子团（凝结相），小原子团长大，晶核，互结合形成小原子团（凝结相），小原子团长大，晶核，晶核继续长大，形成不连续薄膜，形成连续薄膜。晶核继续长大，形成不连续薄膜，形成连续薄膜。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成范德华力为主范德
3、华力为主1.1 1.1 单体的单体的吸附吸附概念：一个自由原子进入基体的作用力场以后，到达概念：一个自由原子进入基体的作用力场以后，到达基体表面被物理吸附，其吸附能（根据固体理论）：基体表面被物理吸附，其吸附能（根据固体理论）：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成本征吸附能：第一个原子层与基体表面间的结合能。本征吸附能：第一个原子层与基体表面间的结合能。 内聚能内聚能: 吸附层数增多吸附层数增多,相邻两层间的结合能相邻两层间的结合能汽汽化化 潜热。潜热。 物理吸附物理吸附 范德华力范德华力 作用范围大作用范围大(0.4nm) 化学吸附化学吸附 化学键力化学键力 作用距离小作用距离小
4、(0.10.3nm)化学吸附本质：吸附原子与基体表面原子之间发化学吸附本质：吸附原子与基体表面原子之间发生了电子转移生了电子转移成共有成共有形成化学键形成化学键键能键能5eV以上。以上。单层吸附：先是物理吸附，后化学吸附（可能）单层吸附：先是物理吸附，后化学吸附（可能）多层吸附：下为化学吸附，上为物理吸附。多层吸附：下为化学吸附，上为物理吸附。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成物理吸附：低温吸附，高温解吸附。物理吸附：低温吸附，高温解吸附。化学吸附：常温下很难解吸附，高温提供能解吸化学吸附：常温下很难解吸附，高温提供能解吸 附所需的活化能。附所需的活化能。定量描述（吸附）定量描述
5、（吸附） 气相中一个原子的动能：气相中一个原子的动能： 基体中一个原子的动能（热平衡）：基体中一个原子的动能（热平衡）： 一般：一般： 若碰撞，入射原子能快速交出多余能量，则易被若碰撞，入射原子能快速交出多余能量，则易被吸附，引入适应系数吸附，引入适应系数第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成吸附原子在基片上的状态吸附原子在基片上的状态重蒸发重蒸发基片表面上迁移基片表面上迁移形成原子对或原子团形成原子对或原子团第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成重蒸发：重蒸发：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成在基片表面上的迁移速率在基片表面上的迁移速率n0为单位面积上的为
6、单位面积上的吸咐点数吸咐点数第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成形成原子对形成原子对第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1、初始凝结初始凝结 S1 重新蒸发掉，不凝结重新蒸发掉，不凝结 1S2 部分凝结，部分再蒸发部分凝结，部分再蒸发 S2 完全凝结完全凝结 1.2 1.2 小原子团的吸附小原子团的吸附小原子团的形成小原子团的形成 初始凝结初始凝结 小原子团的变化速率小原子团的变化速率 临界核临界核 成膜初始阶段，各种大小不一的小原子团成膜初始阶段，各种大小不一的小原子团 边形边形 成、边分解、又生长、又蒸发成、边分解、又
7、生长、又蒸发 动态平衡。动态平衡。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 因为每个吸附原子的捕获面积内，至少都有两因为每个吸附原子的捕获面积内，至少都有两个吸附原子。因此，所有的吸附原子都能结合成对个吸附原子。因此，所有的吸附原子都能结合成对成为更大的原子团，从而达到完全凝结。成为更大的原子团，从而达到完全凝结。 制膜工艺条件：制膜工艺条件：2、小原子团的变化速率、小原子团的变化速率第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成各种大小不等的原子团处于动态平衡，各种原子各种大小不等的原子团处于动态平衡，各种原子团的数量达到稳定值，所以：团的数量达到稳定值，所以：要形成薄膜，需有特殊
8、的小原子团产生要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生,其特殊性：其特殊性：它不分解出单原子或双原子等，是稳定的。它不分解出单原子或双原子等，是稳定的。 稳定核（大小不一）稳定核（大小不一） 最小稳定核最小稳定核即各原子团数量的变化率等于零，产生率即各原子团数量的变化率等于零，产生率=消失率消失率 当当R=0 不形成薄膜不形成薄膜3、临界核定义临界核定义第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成薄膜材料与基片种类薄膜材料与基片种类 决定最小稳定核决定最小稳定核=临界核临界核一般认为：玻璃上淀积金属一般认为：玻璃上淀积金属 最小稳定核最小稳定核310个原子个原子比最小稳定比最小稳定核核少一个原子
9、少一个原子第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.3 成核理论成核理论包括包括： 微滴理论微滴理论热力学方法热力学方法 原子理论原子理论统计物理学方法统计物理学方法 1 1、微滴理论、微滴理论: : 气相气相 吸附相吸附相固相形成薄膜，视原固相形成薄膜，视原 子团微小的凝聚滴子团微小的凝聚滴. . 成核过程定性分析成核过程定性分析: : 随小原子团增大随小原子团增大, ,表面能增大表面能增大, , 体系自由能体系自由能 增加增加 G G个；个； 到临界核时，自由能增加到最大值到临界核时，自由能增加到最大值GmaxGmax； 原子团再增大，原子团再增大， GG稳定核稳定核第一讲第一讲
10、 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 设基片表面有一个微滴如图，由热力学理论，形成设基片表面有一个微滴如图，由热力学理论，形成这个微滴时，总自由能的变化为：这个微滴时，总自由能的变化为： G=aG=a3 3r r3 3g gv v+a+a1 1r r2 20 0+a+a2 2r r2 21 1-a-a2 2r r2 22 2 式中式中: :g gv v- -微滴单位体积所引起的自由能变（微滴单位体积所引起的自由能变（J/m3J/m3），），其值为负。其值为负。0 0、1 1、2 2是图中所示表面的表面能，是图中所示表面的表面能，形成表面所要外力做功，形成表面所要外力做功，GG定量分析：定量分析
11、： 临界核临界核a3r3 体积体积0a1r2 面积面积a2r2 面积面积12基片基片*r第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成可见临界核最不稳定，只有可见临界核最不稳定，只有 r r* GG才稳定才稳定第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成成核速率成核速率在单位面积，单位时间内产生的稳定核数量在单位面积，单位时间内产生的稳定核数量 临界核长大速率临界核长大速率临界核长大临界核长大, ,入射原子直接与临界核碰撞相结合入射原子直接与临界核碰撞相结合( (很少）很少） 吸附原子做表面迁
12、移吸附原子做表面迁移碰撞碰撞结合（为主）结合（为主）l临界核长成稳定核的速率决定于：临界核长成稳定核的速率决定于： 单位面积上的临界核数单位面积上的临界核数临界核密度临界核密度 每个临界核的捕获范围每个临界核的捕获范围 所有吸附原子向临界核运动的总速度所有吸附原子向临界核运动的总速度第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成临界核密度临界核密度 n n0 0单位面积上的吸附点数单位面积上的吸附点数(10(101515/cm/cm2 2) ) Z Z 色尔道维持修正因子，色尔道维持修正因子， Z10Z10-2-2 例如，例如，AgAg在在NaClNaCl上沉积，上沉积， n* 10n* 1
13、01111/cm/cm2 2每个临界核的捕获范围为：每个临界核的捕获范围为：每个吸附原子的表面迁移速度：每个吸附原子的表面迁移速度：在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为：在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成l所以成核速率：所以成核速率：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第第二二讲讲1.3 成核理论成核理论 包括包括： 微滴理论微滴理论热力学方法热力学方法 原子理论原子理论统计物理学方法统计物理学方法 2 2、原子理论、原子理论 当原子数当原子数100100个以上的微滴，其表面能和自由
14、能可个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。当小于以用块状材料的相应数值。当小于100100个以下，甚至几个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。个原子的微滴时，需用原子理论。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成19241924年年, ,弗仑凯尔弗仑凯尔( (FrenkelFrenkel) )提出成核理论原子模型提出成核理论原子模型 物理模型：物理模型： 临界核临界核最小稳定核最小稳定核结合能结合能4-74-7个个原子团原子团4-74-7个个原子团原子团临界核和最小临界核和最小稳定核随基片稳定核随基片温度的变化。温度的变化。T T1 1T T2 2T T3 3T
15、 T(111)/基片表面基片表面(100)/基片表面基片表面4-74-7个个原子团原子团E2E3= 2E2E4= 4E25E2E4= 6E2E5= 8E2当基片表面吸附弱而三个当基片表面吸附弱而三个原子团被吸附的不牢时，原子团被吸附的不牢时，动态平衡却有利于四原子动态平衡却有利于四原子结构结构(100)/基片表面基片表面第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成结论：当原子团达到四原子以后，其结构有两种：结论：当原子团达到四原子以后，其结构有两种： 平面结构、角锥结构。平面结构、角锥结构。 E E2 2EEP P时时形成三角锥结构形成三角锥结构 2E2E2 2EEP P时时可能形成四角锥
16、结构可能形成四角锥结构 E E2 2EEP P时时形成平面结构形成平面结构 对于在金属基片上沉积金属，一般其临界核的体积对于在金属基片上沉积金属，一般其临界核的体积大约为大约为7 7个原子（不超过）。个原子（不超过）。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 成核速率成核速率临界核密度临界核密度每个核的捕获范围每个核的捕获范围吸附吸附 原子向临界核的总速度原子向临界核的总速度由统计理论，临界核密度由统计理论，临界核密度:第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成两种成核理论的对比：两种成核理论的对比：微滴理论（毛细作用理论）微滴理论
17、（毛细作用理论）热力学热力学凝结论，凝结论，适用于描述大的临界核，可用热力学参数适用于描述大的临界核，可用热力学参数. .原子理论原子理论统计物理学统计物理学原子成核与生长模型，原子成核与生长模型，适用于描述小的临界核适用于描述小的临界核. .第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.4 1.4 凝结系数凝结系数凝结：吸附原子结合成对及其以后的过程凝结：吸附原子结合成对及其以后的过程. .凝结系数：凝结系数：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的
18、形成薄膜的形成1.5 薄膜的形成薄膜的形成薄膜的形成顺序薄膜的形成顺序：薄膜的形成过程分四个阶段：薄膜的形成过程分四个阶段：小岛成核，结合，沟道，连续薄膜小岛成核，结合，沟道，连续薄膜第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成小岛阶段小岛阶段成核和核长大成核和核长大 透射电镜观察：大小一致透射电镜观察：大小一致(2-3nm)(2-3nm)的核突的核突 然出现然出现. .平行基片平面的两维大于垂直方向平行基片平面的两维大于垂直方向 的第三维。的第三维。 说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散， 不是由于气相原子的直接接触。不是由于气相原子的直接接触。
19、小岛成核小岛成核核长大核长大结合结合孔洞孔洞连续膜连续膜沟道沟道第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成结合阶段结合阶段 两个圆形核结合时间小于两个圆形核结合时间小于0.1s,0.1s,并且结合后增大了并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能
20、降低。表面能降低。 核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。在结合之初，为了降面扩散为主）以便表面能降低。在结合之初，为了降低表面能，新岛的面积减少，高度增加。根据基片、低表面能，新岛的面积减少，高度增加。根据基片、小岛的表面能和界面能，小岛将有一个最低小岛的表面能和界面能，小岛将有一个最低能量沟形，该形状具有一定的高经比。能量沟形，该形状具有一定的高经比。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成沟道阶段沟道阶段 圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形岛被拉长，从而连接
21、成网状结构的薄膜，在这种结岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm5-20nm，沟，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。以使生成的总表面能为最小。 连续薄膜连续薄膜 小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长网状结构生长连续薄膜连续薄膜第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形
22、成1.6 薄膜的结构薄膜的结构 组织结构组织结构 晶体结构晶体结构薄膜中微晶的晶型薄膜中微晶的晶型1.6.1 组织结构组织结构无定形结构无定形结构无序结构，近程有序，无序结构，近程有序， 远程无序。远程无序。 类无定形结构类无定形结构极其微小的极其微小的(2nm)(12%12% 靠晶格畸变已经达不到匹配，只能靠靠晶格畸变已经达不到匹配，只能靠 棱位错来调节。棱位错来调节。表面张力可使晶格常数发生变化。表面张力可使晶格常数发生变化。半球形晶粒半球形晶粒r第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.6.3 表面结构表面结构l薄膜应保持尽可能小的表面积（薄膜应保持尽可能小的表面积（理想平面理
23、想平面） 使总能量最低。实际上，由于入射原子的无规性使总能量最低。实际上，由于入射原子的无规性薄膜表面有一定粗糙度。薄膜表面有一定粗糙度。 入射原子冲击基片后，在其表面做扩散运动入射原子冲击基片后，在其表面做扩散运动 表面迁移，这在某种程度上，薄膜表面的谷或峰表面迁移，这在某种程度上，薄膜表面的谷或峰 削平，表面积减小，表面能降低。同时，低能晶削平，表面积减小，表面能降低。同时，低能晶 面（低指数面）有力发展，从而各晶面发展不一面（低指数面）有力发展，从而各晶面发展不一 导致薄膜表面的粗糙度增大（高温常有）导致薄膜表面的粗糙度增大（高温常有）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成实验
24、表明：入射原子表面运动能力很小时实验表明：入射原子表面运动能力很小时 薄膜表面积最大。薄膜表面积最大。 d(d(用吸附用吸附COCO、H H2 2可测出表面积可测出表面积) )时，表面积随时，表面积随膜厚成线性增大，表示薄膜是多孔结构（有较大膜厚成线性增大，表示薄膜是多孔结构（有较大的内表面）。的内表面）。 在低真空下淀积薄膜，在低真空下淀积薄膜， 往往会出现这种多孔往往会出现这种多孔大内表面的薄膜，因为剩余气压过高而使蒸气原大内表面的薄膜，因为剩余气压过高而使蒸气原子先在气相中凝结成膜中尘粒，聚集松散。子先在气相中凝结成膜中尘粒，聚集松散。 在基片温度较低的情况下，特别易于出现这种在基片温度
25、较低的情况下，特别易于出现这种结构，这是因为入射原子在基片上难以运动和重排。结构，这是因为入射原子在基片上难以运动和重排。 低温低真空低温低真空薄膜多孔结构薄膜多孔结构第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.7 薄膜中的缺陷薄膜中的缺陷l薄膜初始阶段，很小的小岛是完美的单晶。薄膜初始阶段，很小的小岛是完美的单晶。 小岛长大小岛长大彼此接触彼此接触晶界、晶格缺陷晶界、晶格缺陷进入进入薄膜中薄膜中l单晶薄膜缺陷：缺陷堆、孪晶界单晶薄膜缺陷：缺陷堆、孪晶界 多晶薄膜缺陷：晶界面积多多晶薄膜缺陷：晶界面积多1.7.1 位错位错 蒸发镀膜蒸发镀膜位错缺陷。缺陷密度位错缺陷。缺陷密度10101
26、414-10-101515/m/m2 2。面心立方金属薄膜中位错，在这种薄膜的生长过程面心立方金属薄膜中位错，在这种薄膜的生长过程中，形成位错的机理有：中，形成位错的机理有：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 当两个小岛的晶格彼此略为相对转向时，这两当两个小岛的晶格彼此略为相对转向时，这两个岛结合以后形成位错构成的次晶界。个岛结合以后形成位错构成的次晶界。 基片与薄膜的晶格参数不同，两岛间将有不匹基片与薄膜的晶格参数不同，两岛间将有不匹配的位移。配的位移。 成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜内应力能在孔成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜内应力能在孔洞边缘洞边缘位错；位错； 在基片表面终止的位
27、错能再向薄膜中延伸；在基片表面终止的位错能再向薄膜中延伸； 当含缺陷堆的小岛结合时，在连续薄膜中必须当含缺陷堆的小岛结合时，在连续薄膜中必须有部分位错连接这些缺陷堆。用电镜有部分位错连接这些缺陷堆。用电镜发现绝大多数发现绝大多数位错是在沟道位错是在沟道( (网状网状) )和孔洞阶段产生的。和孔洞阶段产生的。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.7.2 小缺陷小缺陷l小缺陷：在淀积薄膜中常观察到的位错环、堆缺小缺陷：在淀积薄膜中常观察到的位错环、堆缺陷、四面体和三角缺陷。位错环长陷、四面体和三角缺陷。位错环长10-30nm10-30nm，环密，环密度约度约10102020/m/m2
28、 2l蒸发薄膜中，可形成大量空位，因为：蒸发薄膜中，可形成大量空位，因为： 一个入射原子进入薄膜晶格时的等效温度比一个入射原子进入薄膜晶格时的等效温度比基片温度高得多；基片温度高得多； 金属薄膜迅速凝结而成，淀积的原子层还未金属薄膜迅速凝结而成，淀积的原子层还未能与基片达到热平衡，即被新层所覆盖能与基片达到热平衡，即被新层所覆盖许多空许多空位陷入膜中。位陷入膜中。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成用电镜可以观察膜中的点缺陷。用电镜可以观察膜中的点缺陷。未未溶溶解解的的位位错错环环、空空位位聚聚集集体体、杂杂质质原原子子聚聚集集体体，T T点点缺缺陷陷的的移移动动能能力力大大空空位
29、位和和间间隙隙原原子子移移到到膜膜表表面面失失TT点点缺缺陷陷的的移移动动能能力力小小点点缺缺陷陷聚聚集集而成的疵点。而成的疵点。1.7.3 晶界晶界 薄膜中的晶粒非常小（细小），所以晶界面积较薄膜中的晶粒非常小（细小），所以晶界面积较大。晶粒尺寸依从于淀积条件和退火温度。大。晶粒尺寸依从于淀积条件和退火温度。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲薄膜的主要力学性能：薄膜的主要力学性能： 附着性质附着性质由薄膜成长的初始阶段由薄膜成长的初始阶段 内应力内应力 机械性能机械性能第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1.2
30、 薄膜的附着性质（重要）理论上理论上需对结合界的了解。需对结合界的了解。使用上使用上决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。 现无统一的测量薄膜附着性能的准确测量技术现无统一的测量薄膜附着性能的准确测量技术. . 薄膜的附着性能直接与附着的类型、附着力的性薄膜的附着性能直接与附着的类型、附着力的性质、工艺、测量方法有关。质、工艺、测量方法有关。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.1.1 薄膜的附着类型 简单附着简单附着分明的分界面分明的分界面 扩散附着扩散附着 通过中间层附着通过中间层附着 通过宏观效应附着通过宏观效应附着第一讲第一讲 第一章第一章
31、薄膜的形成薄膜的形成 简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面， 其附着能其附着能 WfsWfs= =Ef+Es-EfsEf+Es-Efs EfEf薄膜的表面能薄膜的表面能 EsEs基片的表面能基片的表面能 EfsEfs薄膜与基片之间的界面能薄膜与基片之间的界面能 两个相似或相容的表面接触两个相似或相容的表面接触 EfsEfs WfsWfs 两个完全不相似或不相容的表面接触两个完全不相似或不相容的表面接触 EfsEfs WfsWfs 表面污染：表面污染： 1.33310-3Pa1.33310-3Pa下下1 1秒后秒后表面会污染表面会污染 一层单
32、分子层。一层单分子层。 简单物理附着简单物理附着薄膜与基片间的结合力薄膜与基片间的结合力范德华力范德华力第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成扩散附着扩散附着由两个固体间相互扩散或溶解而导致由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 离子轰击法、电场吸引法。离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺）基片加热法：加温曲线（工艺） 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm20-30nm） 金属膜，再用高能（
33、金属膜，再用高能（100KeV100KeV）氩离子对）氩离子对 它进行轰击它进行轰击 实现扩散实现扩散 再镀膜再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压加电压 吸离子吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 能大能大 扩散。扩散。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成中间层附着中间层附着在薄膜与基片之间形成一个化合物而在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化 合物合物。方法：在基片上镀一层薄金属层（方法：在基片上镀一层薄金
34、属层（TiTi、MoMo、TaTa、 CrCr等）等）. .然后，在其上再镀需要的薄膜，薄然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。中间层表面掺杂。通过宏观效应通过宏观效应 机械锁合机械锁合 双电层吸引双电层吸引 功函数不同功函数不同电荷累积电荷累积吸引吸引第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.1.1 2.1.1 附着力的性能（性质）附着力的性能（性质） 三种附着力：三种附着力： 范德华力、化学键力、静电力（机械锁合）范德华力、化学键力、静电力（机械锁合） ( (氢键）氢键）范德华力（键能范德华力（键能0.04-0.4eV0.04-0.4e
35、V） 色散力色散力原子绕核运动中原子绕核运动中瞬间偶极瞬间偶极相互作用相互作用 定向力定向力永久偶极矩之间的相互作用永久偶极矩之间的相互作用 诱导力诱导力永久偶极矩的诱导作用永久偶极矩的诱导作用产生的力产生的力 与静电力相比范德华力是短程力；与静电力相比范德华力是短程力； 与化学键力相比，范德华力是长程力。与化学键力相比，范德华力是长程力。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成氢键（键能氢键（键能0.1eV0.1eV）离子性的静电吸引不普离子性的静电吸引不普 遍，仅在电负性很强的原子之间。遍，仅在电负性很强的原子之间。化学键力（键能化学键力（键能0.4-10eV0.4-10eV） 共
36、价键共价键 离子键离子键 金属键金属键 价电子发生了转移，价电子发生了转移，短程力，不是普遍存在。短程力，不是普遍存在。静电力静电力薄膜和基体两种材料的功函数不同，薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移接触后发生电子转移界面两边积累正负界面两边积累正负 电荷电荷 静电吸引静电吸引第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.1.3 影响附着力的工艺因素 包括材料性质、基片表面状态、基片温度、淀积包括材料性质、基片表面状态、基片温度、淀积方式、淀积速率、淀积气氛等。方式、淀积速率、淀积气氛等。基片材料的性质对附着力影响很大基片材料的性质对附着力影响很大 微晶玻璃上淀积铝膜微晶
37、玻璃上淀积铝膜氧化铝与玻璃中硅氧氧化铝与玻璃中硅氧 化学键化学键附着力强。附着力强。 铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜金属键金属键 附着力强附着力强 选基片能与薄膜形成化学键选基片能与薄膜形成化学键附着力强附着力强第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成基片的表面状态对附着力影响也很大基片的表面状态对附着力影响也很大基片清洗基片清洗去掉污染层（吸附层使基片表面的化学键去掉污染层（吸附层使基片表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）饱和，从而薄膜的附着力差） 提高附着性能。提高附着性能。提高温度提高温度, ,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散有利于薄膜和基片之间
38、原子的相互扩散 扩散附着有利于加速化学反应形成中间层扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 中间层附着中间层附着须注意：须注意：TT薄膜晶粒大薄膜晶粒大热应力热应力其它性能变其它性能变第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成淀积方式：溅射强于蒸发，电压（溅射）高淀积方式：溅射强于蒸发，电压（溅射）高 附着好附着好 溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化 附着强附着强 电镀膜的附着性能差电镀膜的附着性能差(有一定数量的微孔）有一定数量的微孔）附着性能差附着性能差淀积速率淀积速率 残留氧分子膜中残留氧分子膜中中间层少中间层少 附着力下降附着力下降 薄
39、膜结构疏松薄膜结构疏松 内应力大内应力大淀积气氛对薄膜附着力的影响淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期淀积初期氧和水蒸气分压氧和水蒸气分压氧化膜中间层氧化膜中间层附着附着第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.2 附着力的测试方法机械方法数种如下：机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。离心法、超声法、振动法等。2.2.1 条带法条带法三种可能：三种可能： 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来；薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离
40、下来；仅部分剥离下来； 未剥离未剥离说明薄膜附着好说明薄膜附着好定性测量定性测量第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.2.2 引拉法（定量测量）引拉法（定量测量）用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂直拉力；用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂直拉力；单位面积的附着力单位面积的附着力fbfb= =FbFb/A/A2.2.3 划痕法划痕法 用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为0.05nm0.05nm。临界负荷。临界负荷薄膜刻划下来时。薄膜刻划下来时。 作用薄膜附着力的一种量度。作用薄膜附着力的一种量度。 用光学显微镜观察和分析划痕，必须
41、确定临界负荷。用光学显微镜观察和分析划痕，必须确定临界负荷。薄膜的临界负荷一般为几薄膜的临界负荷一般为几- -几百克。几百克。单位面积临界剪切力为：单位面积临界剪切力为：单位面积的剥离能单位面积的剥离能:第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.2.4 2.2.4 摩擦法摩擦法 用标准的负荷橡皮（含有金刚砂）擦用标准的负荷橡皮（含有金刚砂）擦 用已知高度点矢落下的磨粒（如用已知高度点矢落下的磨粒（如SiCSiC细砂）擦细砂）擦第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.3 2.3 薄膜的内应力薄膜的内应力 内应力定义：薄膜内部单位截面上所承受的力，内应力定义：薄膜内部单位截面
42、上所承受的力， 称为内应力。在内部自己产生的应力。称为内应力。在内部自己产生的应力。 张应力过大张应力过大薄膜开裂、基片翘曲。薄膜开裂、基片翘曲。 压应力过大压应力过大薄膜起皱或脱落。薄膜起皱或脱落。 + + 在张应力作用下，薄膜自身有其收缩的趋势在张应力作用下，薄膜自身有其收缩的趋势 过大过大薄膜开裂。薄膜开裂。 - - 在压应力作用下，薄膜内部有向表面扩散的趋势在压应力作用下，薄膜内部有向表面扩散的趋势 过大过大脱落。脱落。 薄膜内应力的来源尚未形成定论。薄膜内应力的来源尚未形成定论。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 2.3.1 内应力的类别与起源内应力的类别与起源 按起源
43、分：热应力按起源分：热应力薄膜和基片的热胀系数不同薄膜和基片的热胀系数不同 而引起的。而引起的。 本征应力本征应力-来自于薄膜的结构因素来自于薄膜的结构因素 和缺陷。和缺陷。按应力性质分：张应力、压应力按应力性质分：张应力、压应力第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 由于薄膜中的内应力分布是不均匀的，即薄膜由于薄膜中的内应力分布是不均匀的，即薄膜内各个分层的应力大小不同内各个分层的应力大小不同两种内应力两种内应力：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成按应力起源分类：热应力、本征应力按应力起源分类：热应力、本征应力第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一
44、讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的
45、形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质( (续续) ) 第第四四讲讲第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 2.4 2.4 内应力的测试方法内应力的测试方法第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜
46、的形成薄膜的形成1、悬臂梁法悬臂梁法测量时常用基片测量时常用基片云母片、玻璃片云母片、玻璃片 尺寸：尺寸：152 0.0565 10 0.15mm3测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、 机电法等，其中电容法的灵敏度最高。机电法等，其中电容法的灵敏度最高。薄膜内应力：薄膜内应力：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2 2、弯盘法、弯盘法采用圆形基片，分别测量出在淀积薄膜前后的基片采用圆形基片，分别测量出在淀积薄膜前后的基片的曲率半径的曲率半径R R1 1和和R R2 2，则薄膜单位宽度的应力为：，则薄膜单位宽度的应力为：
47、基片：玻璃、石英、单晶硅基片：玻璃、石英、单晶硅 尺寸：尺寸：0.130.1318-0.2218-0.223030，光学抛光，光学抛光测量方法：牛顿环法测量方法：牛顿环法( (常用常用) )、x x射线衍射法、光纤法等。射线衍射法、光纤法等。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3 3、 x x射线衍射法射线衍射法测试前，用标准的硅单晶样品测试前，用标准的硅单晶样品标定装置误差。标定装置误差。薄膜厚度薄膜厚度30nm,30nm,观测衍射峰最大值所对应的布拉格观测衍射峰最大值所对应的布拉格（BraggBragg）角）角，并比较薄膜的，并比较薄膜的和块状的和块状的角。角。第一讲第一讲 第
48、一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 2.5 2.5 薄膜的机械强度薄膜的机械强度分为抗张强度、耐压强度（用硬度表示）分为抗张强度、耐压强度（用硬度表示）薄膜常开裂薄膜常开裂薄膜的断裂是它的应力薄膜的断裂是它的应力应变曲线应变曲线的终点的终点抗张强度与应力抗张强度与应力应变关系紧密。应变关系紧密。2.5.1 薄膜的应力薄膜的应力应变曲线应变曲线块材：先线性弹性阶段块材：先线性弹性阶段非线性弹性阶段非线性弹性阶段 塑性变形塑性变形薄膜：有可能发生蠕变，因为薄膜内的缺陷较多，薄膜：有可能发生蠕变，因为薄膜内的缺陷较多，受到内部弹性能的活化而发生了一些变化
49、。受到内部弹性能的活化而发生了一些变化。 与块材不同与块材不同第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.5.2 2.5.2 薄膜的抗张强度薄膜的抗张强度薄膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑薄膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑 性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内 应力增大，出应力增大，出 现小的裂纹，最后发生断裂。现小的裂纹，最后发生断裂。薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大，薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大， 本身有内应力。本身有内应力。薄膜的屈服强度：薄膜的屈服强度：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜
50、的形成薄膜的屈服强度比块材大，因为薄膜的表面效应，薄膜的屈服强度比块材大，因为薄膜的表面效应，如薄膜的表面积很大，抑制位错运动和消除位错源。如薄膜的表面积很大，抑制位错运动和消除位错源。dd强度强度第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.6 机械强度的试验方法机械强度的试验方法2.6.1 2.6.1 引张法引张法 采用微张力测试仪，观察样品在较轻负载下的很小伸采用微张力测试仪，观察样品在较轻负载下的很小伸长率。用灵敏的光学仪器测量伸长率（长率。用灵敏的光学仪器测量伸长率（0.5nm0.5nm）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.6.2 2.6.2 膨胀法膨胀法# #
51、样品制法：样品制法： 将待测薄膜从基片上剥离下来安装在铜管上；将待测薄膜从基片上剥离下来安装在铜管上； 将待测薄膜淀积在塑料膜上，然后溶去塑料膜；将待测薄膜淀积在塑料膜上，然后溶去塑料膜； 在在NaClNaCl基片（基片（100100）面上沉积薄膜（如金膜），）面上沉积薄膜（如金膜）， 然后在薄膜质量最佳处，用喷水法对基片进行钻然后在薄膜质量最佳处，用喷水法对基片进行钻 孔，直到在孔底只剩下薄膜位置。孔，直到在孔底只剩下薄膜位置。# #用干涉图像法测量膨胀面曲率半径在起始态和膨胀用干涉图像法测量膨胀面曲率半径在起始态和膨胀态的变化，从而求出薄膜所受的应力与应变分别为：态的变化，从而求出薄膜所受
52、的应力与应变分别为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成2.6.3 离心法离心法该法可测量薄膜的附着力和抗张强度，但不能测该法可测量薄膜的附着力和抗张强度，但不能测量应力量应力- -应变曲线。应变曲线。转子由磁力悬浮在真空中，外加旋转磁场，使转转子由磁力悬浮在真空中，外加旋转磁场，使转子高速旋转，调节转子的转速，并测定其甩掉薄子高速旋转，调节转子的转速，并测定其甩掉薄膜时的转速（转数膜时的转速（转数n n）对于转子单位长度上薄膜受的离心力：对于转子单位长度上薄膜受的离心力：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第三章第三章
53、金属薄膜的导电金属薄膜的导电 第五讲第五讲电阻来源：晶格振动电阻来源：晶格振动声子散射；杂质声子散射；杂质杂质散射；杂质散射； 缺陷缺陷缺陷散射；缺陷散射； 晶界晶界晶界散射。晶界散射。薄膜特点：连续膜薄膜特点：连续膜表面散射；表面散射； 网状膜网状膜细丝周界散射，接触散射；细丝周界散射，接触散射； 岛状膜岛状膜电子隧道电子隧道 。由此可见，电阻的物理根源多于块状。由此可见，电阻的物理根源多于块状。薄膜的成膜过程：岛状薄膜薄膜的成膜过程：岛状薄膜网状薄膜网状薄膜连续薄膜连续薄膜第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.1 3.1 岛状薄膜的电阻岛状薄膜的电阻电阻规律：电阻规律：电阻率
54、比连续膜大几个数量级；电阻率比连续膜大几个数量级； 电阻温度系数为负；电阻温度系数为负； 低场强下，服从欧姆定律（低场强下，服从欧姆定律（V-AV-A）; ; 高场强下，非线性关系（高场强下，非线性关系（V-AV-A关系）。关系）。有关岛状薄膜的电导理论有：有关岛状薄膜的电导理论有： 热电子发射理论；热电子发射理论； 肖特基发射理论；肖特基发射理论； 活化隧道理论；活化隧道理论； 允许态间隧道理论；允许态间隧道理论； 经基片和陷阱的隧道理论。经基片和陷阱的隧道理论。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.1.1 3.1.1 热电子发射理论热电子发射理论物理模型：金属岛中电子随温度增
55、加，其动能增加。当其物理模型：金属岛中电子随温度增加，其动能增加。当其动能大于逸出功时，电子便逸出金属表面，动能大于逸出功时，电子便逸出金属表面，E E外外定向流动。定向流动。计算单位时间内逸出金属单位表面的电子数。计算单位时间内逸出金属单位表面的电子数。由固体物理学得知，在金属单位体积内，微分能量元由固体物理学得知，在金属单位体积内，微分能量元dEdE中中的电子能态数为：的电子能态数为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.1.2 3.1.2 肖特基发射理论肖特基发射理论引入镜像力和外加电场的影响，修正上述中的引入镜像力和外加电场
56、的影响，修正上述中的势垒势垒镜像力：若发射出的电子（镜像力：若发射出的电子（-q-q）在）在x x处如图，则在一处如图，则在一x x处感处感应出一个正镜像电荷（应出一个正镜像电荷（+q+q），两电荷间的库伦力为：），两电荷间的库伦力为：电子在电子在x x处的势能为：处的势能为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.1.3 3.1.3 活化隧道理论活化隧道理论该理论认为：电子从一个中性小岛移至另一个中该理论认为：电子从一个中性小岛移至另一个
57、中性小岛，因而使原来的一些带有电荷在载电小岛性小岛，因而使原来的一些带有电荷在载电小岛与中性小岛间的电子传输是一个隧道过程。与中性小岛间的电子传输是一个隧道过程。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.1.3 3.1.3 活化隧道理论活化隧道理论该理论认为：电子从一个中性小岛移至另一个中该理论认为：电子从一个中性小岛移至另一个中性小岛，因而使原来
58、的一些带有电荷在载电小岛性小岛，因而使原来的一些带有电荷在载电小岛与中性小岛间的电子传输是一个隧道过程。与中性小岛间的电子传输是一个隧道过程。第三章第三章 金属薄膜的导电（续）金属薄膜的导电（续） 第六讲第六讲第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成式中：式中：N N是岛是岛 状薄膜单位面积内小岛数目，状薄膜单位面积内小岛数目， 是活是活化能。即是将
59、一个电子从一个化能。即是将一个电子从一个 中性小岛移到另一个中中性小岛移到另一个中性小岛所需要的能量。设每个小岛的体积为性小岛所需要的能量。设每个小岛的体积为4 4/3a3,/3a3,则岛状薄膜总体积为：则岛状薄膜总体积为：并设带电的小岛带一个电子（成一个空穴）。并设带电的小岛带一个电子（成一个空穴）。则岛状薄膜的载流子密度：则岛状薄膜的载流子密度：所以岛状薄膜的电导率为：所以岛状薄膜的电导率为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成相邻两岛的中心距离为相邻两岛的中心距离为薄膜的方块电阻为：薄膜的方块电阻为：薄膜的电流密度为：薄膜的电流密度为：所以岛状薄膜的电导率为：所以岛状薄膜的电
60、导率为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成结论：小岛线度结论：小岛线度aa载流子密度载流子密度n na aa aRR口口 岛间距离岛间距离d d a a （指数衰减比指数衰减比d d2 2增加快）增加快） 关于岛状薄膜电导理论：关于岛状薄膜电导理论： 还有允许态间隧道理论还有允许态间隧道理论 通过基片的隧道理论通过基片的隧道理论第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.2 3.2 外因对岛状薄膜电导的影响外因对岛状薄膜电导的影响 外因：温度、频率、应力外因：温度、频率、应力3.2.1 3.2.1 温度的影响温度的影响 薄膜电阻温度系数薄膜电阻温度系数 第一讲第一讲 第一
61、章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 （注：假设薄膜尺寸不变）（注：假设薄膜尺寸不变）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成而活化能而活化能主要是主要是一项，即一项，即式中式中为岛间介质的相对介电常数。可见岛状薄膜为岛间介质的相对介电常数。可见岛状薄膜 电阻温度系数电阻温度系数TCRTCR是负的。是负的。这与实验吻合，这种现象可解释为：这与实验吻合，这种现象可解释为： 温度升高后，发射的热电子数增多，从而导致电温度升高后，发射的热电子数增多，从而导致电阻率下降。阻率下降。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.2.2 3.2.2 岛状薄膜的高频特性岛状薄膜的高频特性 r rm
62、m: : 金属小岛的等效电阻金属小岛的等效电阻 C C0 0: : 两岛间的电容两岛间的电容 r rs s: : 岛间的等效电阻岛间的等效电阻 注：注： r rm m的温度系数为正的温度系数为正 r rs s的温度系数为负的温度系数为负第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成在高频下，在高频下，C C0 0对对r rs s有旁路作用，从而使薄膜的高频有旁路作用，从而使薄膜的高频 电阻减小。电阻减小。在高温下，岛间的热电子发射加剧在高温下，岛间的热电子发射加剧 r rs s 结论：结论： 在高温高频下，薄膜阻抗减小，在高温高频下，薄膜阻抗减小，r rs s， 岛间近于短路，薄膜的电阻以小
63、岛本岛间近于短路，薄膜的电阻以小岛本 身电阻为主。身电阻为主。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.3 3.3 网状薄膜的电导网状薄膜的电导 网状薄膜的电导是由金属小岛、金属接触点或者网状薄膜的电导是由金属小岛、金属接触点或者 金属细丝以及岛间空隙的电导所构成。金属细丝以及岛间空隙的电导所构成。接触膜电阻：岛间电阻接触电阻小岛本身电阻接触膜电阻：岛间电阻接触电阻小岛本身电阻丝状膜电阻：除了电子在薄膜的两个平行面上散射外，丝状膜电阻：除了电子在薄膜的两个平行面上散射外， 还受到细丝的整个周界的严重散射还受到细丝的整个周界的严重散射 丝状膜电阻连续薄膜电阻丝状膜电阻连续薄膜电阻第一讲
64、第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3.3.1 3.3.1 接触膜的电导接触膜的电导设电板式设电板式A Ac c上一个微分面元上一个微分面元dAdAc c的电荷量为的电荷量为为电通量密度。为电通量密度。E为电板表面处的电电场强度为电板表面处的电电场强度 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成两个电板间的电位差两个电板间的电位差而沉浸在无限大媒质中的圆形电板的密度为：而沉浸在无限大媒质中的圆形电板的密度为：对于很细的丝，由于周界对电子的散射，对于很细的丝，由于周界对电子的散射，其电导率与块材之比为：其电导率与块材之比为：d:d:细丝直径；细丝直径；：块材中电子的平均自由程：块材中
65、电子的平均自由程第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若在岛状薄膜的长度中，有若在岛状薄膜的长度中，有NsNs个小岛相互串联，在薄个小岛相互串联，在薄膜的横断面中，有膜的横断面中，有NpNp个个岛互相并列，则薄膜的电阻为：岛互相并列，则薄膜的电阻为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成连续金属薄膜导电用金属的电导理论连续金属薄膜导电用金属的电导理论+ +薄膜结构薄膜结构3.4 3.4 连续薄膜的电导连续薄膜的电导3.4.1 3.4.1 玻耳兹曼输出方程玻耳兹曼输出方程电导率的统计理论电导率的统计理论 六维相空间概念：位置坐标六维相空间概念：位置坐标 x, y ,z;x,
66、y ,z; 动量坐标动量坐标 P Px x, , P Py y, , P Pz z 电子可能处于（电子可能处于（x,y,z,Px,y,z,Px x,P,Py y,P,Pz z）状态，）状态， 其概率为：其概率为： f f（x,y,z,Px,y,z,Px x,P,Py y,P,Pz z）分布函数分布函数 因此，在因此，在t t时刻，在相空间体积元时刻，在相空间体积元 dd= =dxdydzdxdydz dPxdPx，dPydPy，dPzdPz内的电子数目为：内的电子数目为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 22电子自旋有电子自旋有2 2个个 显然，在显然，在t+dtt+dt时刻，
67、在同一体积元中的电子数变为：时刻，在同一体积元中的电子数变为： 在在dtdt后，在后，在dvdv内所增加的电子数为：内所增加的电子数为：由此可见，电子的改变主要是由于分布几率由此可见，电子的改变主要是由于分布几率f f随随t t变化变化而引起的需要建立关于分布概念函数而引起的需要建立关于分布概念函数f f的微分方程的微分方程晶体中电子晶体中电子电场力（外力）电场力（外力）r r变，变，v v变，动量变，动量p p变变 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第三章第三章 金属薄膜的导电（续）金属薄膜的导电（续） 第七讲第七讲3.4.2 金属中的电流密度金属中的电流密度固体物理知固体物理
68、知, ,金属单位体积中的状态数为：金属单位体积中的状态数为：由此知能量间隔由此知能量间隔dEdE, ,或者处在能量间隔中的状态数为：或者处在能量间隔中的状态数为：或写成：或写成：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 可见：可见：2/n2/n3 3是相空间中单位体积的态数是相空间中单位体积的态数所以，在单位体积内在所以，在单位体积内在v vx xvvx x+dv+dvx x,v,vy yvvy y+dv+dvy y,v,vz zvvz z+dv+dvz z内的电子数为：内的电子数为：fdNfdN因此，所有电子在因此，所有电子在x x方向上所形成的电流密度为：方向上所形成的电流密度为：
69、在平衡状态下，分布函数在平衡状态下，分布函数f=ff=f0 0费米费米狄拉克分布狄拉克分布. .J Jx x=0=0即：即：这些电子在这些电子在x x方向上所形成的电流密度为：方向上所形成的电流密度为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成在非平衡状态下（有外力作用）用分布函数在非平衡状态下（有外力作用）用分布函数f=ff=f0 0+f+f1 1取代取代f f0 0, ,即可：即可：在金属单位体积中的总电子数为：在金属单位体积中的总电子数为：( (直角坐标直角坐标) )（球坐标）（球坐标）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若若T=0K,vT=0K,vv vF F( (费
70、米速度费米速度) f) f0 0=0=0（在室温下，仍具有代表性）（在室温下，仍具有代表性） (直角坐标直角坐标)（球坐标）（球坐标）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 若沿若沿x x方向加一电场方向加一电场F,F,则薄膜内的电子将获得则薄膜内的电子将获得x x方向方向的净漂移速度的净漂移速度. .3.4.3 连续薄膜的电导理论连续薄膜的电导理论( (无规热运动无规热运动+ +有规场速速度有规场速速度) )电子在两次碰撞之间，经过一个距离电子在两次碰撞之间，经过一个距离平均自由程平均自由程xx1k1的情况下：的情况下：厚度很厚的厚度很厚的薄膜的数值薄膜的数值第一讲第一讲 第一章第
71、一章 薄膜的形成薄膜的形成3.4.4 对连续薄膜电导的讨论对连续薄膜电导的讨论 薄膜特点：表面效应，晶粒较小，晶界较多，薄膜特点：表面效应，晶粒较小，晶界较多，杂质多，缺陷多杂质多，缺陷多 b b，b b，b b应该是厚度很大的薄膜的数值。应该是厚度很大的薄膜的数值。 当薄膜的两个表面（或者一个表面和一个界面）当薄膜的两个表面（或者一个表面和一个界面）相同时。对于全市漫反射的情况，在相同时。对于全市漫反射的情况，在k1k1的条件下，的条件下，有：有：而而第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（实际上（实际上k k0.10.1，上述结论也能给出满意的结果），上述结论也能给出满意的结果）
72、 而而k0.1k1k1有：有：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成当表面光滑程度达到传导电子的波长（约当表面光滑程度达到传导电子的波长（约0.5nm0.5nm）数量级以后，漫反射才显著减少例如数量级以后，漫反射才显著减少例如: :衬底用：在超高真空中就劈裂的云母片衬底用：在超高真空中就劈裂的云母片 在基片上先沉积一层在基片上先沉积一层BiBi2 2O O3 3薄膜薄膜对于薄膜两个表面的反射情况不同对于薄膜两个表面的反射情况不同（z=o.p参数；参数；z=d,q参数）参数）在在k1k1时，有：时，有：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成然而，对于部分漫反射情况占多数，其薄
73、膜电阻率为：然而，对于部分漫反射情况占多数，其薄膜电阻率为：而块状材料的电阻率为：而块状材料的电阻率为：所以有：所以有：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成为表面散射电子的平均自由程，其值为为表面散射电子的平均自由程，其值为马提生定则：块状材料的电阻率等于声子，杂质，马提生定则：块状材料的电阻率等于声子，杂质，缺陷（位错，空位，填隙，应变）缺陷（位错，空位，填隙，应变）和晶界所引起的电阻率之和，所以有：和晶界所引起的电阻率之和，所以有： 式中式中第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成所以，金属薄膜（连续）的电阻率为：所以，金属薄膜（连续）的电阻率为：对薄膜退火，对薄膜退火
74、，第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成3-53-5外因对连续薄膜电导的影响外因对连续薄膜电导的影响连续薄膜的电阻率温度系数连续薄膜的电阻率温度系数TCRTCR第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第三章第三章 金属薄膜的导电（续）金属薄膜的导电（续） 第八讲第八讲3-53-5外因对连续薄膜电导的影响外因对连续薄膜电导的影响连续薄膜的电阻率温度系数连续薄膜的电阻率温度系数TCRTCR第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成电阻的温度系数约等于薄膜电阻率的温度系数：电阻的温度系数约等于薄膜电阻率的温度系数：纯金属纯金属温度对电阻率的影响来自两个方面：温度对电阻率的影响
75、来自两个方面：式中式中是薄膜电阻率的温度系数是薄膜电阻率的温度系数 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 由于薄膜中的晶界、杂质和缺陷密度远大于块状材由于薄膜中的晶界、杂质和缺陷密度远大于块状材料，所以薄膜电阻率大于块材的，但薄膜电阻率的温料，所以薄膜电阻率大于块材的，但薄膜电阻率的温度系数却小于块材的。度系数却小于块材的。薄膜（金属）可以用来制造热敏电阻器。薄膜（金属）可以用来制造热敏电阻器。下面求连续薄膜的电阻率温度系数下面求连续薄膜的电阻率温度系数由：由：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成其中：其中：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成因为因为 所以
76、有：所以有：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成根据电阻率与电导率两者温度系数的关系：根据电阻率与电导率两者温度系数的关系：所以有：所以有：而：而：若薄膜表面为部分漫反射时：则若薄膜表面为部分漫反射时：则第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成可见：可见： 表面散射使薄膜的电阻率大于块状的，但是，却使表面散射使薄膜的电阻率大于块状的，但是，却使它的电阻率温度系数小于块材的。符合马提生定则：它的电阻率温度系数小于块材的。符合马提生定则：随着金属材料电阻率的增大，其温度系数减小。随着金属材料电阻率的增大，其温度系数减小。设基片受到一纵向拉力，则应变为：设基片受到一纵向拉力，则应
77、变为：横向：横向：2.2.连续薄膜的电阻应变系数连续薄膜的电阻应变系数根据电阻应变系数定义：根据电阻应变系数定义：纵向：纵向：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成其厚度应变为：其厚度应变为：薄膜电阻的应变系数：薄膜电阻的应变系数：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成在纵向拉力作用下，薄膜的体积应变为：在纵向拉力作用下，薄膜的体积应变为：而而式中：式中：为体积压缩率为体积压缩率第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若薄膜在垂直电流方向受到一拉力时，若薄膜在垂直电流方向受到一拉力时，电阻应变系数为：电阻应变系数为：所以电阻应变系数与纵向拉力所以电阻应变系数与纵向拉
78、力的关系：的关系：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成假若将假若将定义为电阻的应力系数，定义为电阻的应力系数，式中式中一项通常为负，因为薄膜受力以后，一项通常为负，因为薄膜受力以后，可测可测纵向和横向应变系数之差为：纵向和横向应变系数之差为：则在纵向或横向应力下，均为：则在纵向或横向应力下，均为：晶格振幅变小，电阻率下降。晶格振幅变小，电阻率下降。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成结论：连续薄膜的电阻应变系数远小于岛状薄膜，结论：连续薄膜的电阻应变系数远小于岛状薄膜， 对精密电阻，电阻应变系数非常重要。对精密电阻，电阻应变系数非常重要。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜
79、的形成薄膜的形成 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几
80、个，甚至几千个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.1 4.1 表面双电层的表面势表面双电层的表面势(1)(1)金属表面的双电层和表面势金属表面的双电层和表面势 晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断，晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断，表面层中的原子可能发生表面层中的原子可能发生 重新排列重新排列能量能量（表面能）（表面能）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 金属中自由电子密度很高金属中自由电子密度很高屏蔽屏蔽金
81、属表面处的电势金属表面处的电势分布近于一个单原子层如图。分布近于一个单原子层如图。 （电子的逸出功下降）电子的逸出功下降）钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附铯原子，表面电势降低钨表面吸附铯原子，表面电势降低光电阴极材料光电阴极材料 表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，从而改变表面势能从而改变表面势能. .影响电子的逸出功影响电子的逸出功 . .第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个未成键的电子未成键的电子,即
82、有一个未被饱和的建即有一个未被饱和的建称为悬挂键称为悬挂键 电子在悬挂键上的能态电子在悬挂键上的能态表面态，处在禁带中，表面态，处在禁带中，起电子陷阱作用起电子陷阱作用.(2)(2)半导体表面的双电层和表面势半导体表面的双电层和表面势 体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，它与体内空穴形成双电层它与体内空穴形成双电层.第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若表面态能级在导带底附近若表面态能级在导带底附近施主型施主型若表面态能级在价带顶附近若表面态能级在价带
83、顶附近受主型受主型 表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，例如：例如：表面层带有正过剩电荷表面层带有正过剩电荷 电子聚集在空间电荷层电子聚集在空间电荷层导电好导电好形成聚集层形成聚集层 导电更好（表面处）导电更好（表面处）表面层带有负过剩电荷表面层带有负过剩电荷 电子向体内流动电子向体内流动形成耗尽层（电子）形成耗尽层（电子）表面处表面处比内部更不易导电比内部更不易导电. .第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜
84、的表面和界面 第第9 9讲讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；半导体的表面区
85、，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.1 4.1 表面双电层的表面势表面双电层的表面势(1)(1)金属表面的双电层和表面势金属表面的双电层和表面势 晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断，晶体中原子排列的三维周期性在表面处突然中断，表面层中的原子可能发生表面层中的原子可能发生 重新排列重新排列能量能量（表面能）（表面能）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 金属中自由电子密度很高金属中自由电子密度很高屏蔽屏蔽金属表面处的电势金属表面处的电势分布近
86、于一个单原子层如图。分布近于一个单原子层如图。 （电子的逸出功下降）电子的逸出功下降）钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附氧原子，表面电势升高钨表面吸附铯原子，表面电势降低钨表面吸附铯原子，表面电势降低光电阴极材料光电阴极材料 表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，表面原子位能高，表面活性较大，易吸收外来原子，从而改变表面势能从而改变表面势能. .影响电子的逸出功影响电子的逸出功 . .能量能量真空能级真空能级距离距离内部内部原子原子表面原子表面原子晶体表面势能晶体表面势能第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个硅晶格在表面处突然
87、终止，表面处硅原子有一个未成键的电子未成键的电子,即有一个未被饱和的建即有一个未被饱和的建称为悬挂键称为悬挂键 电子在悬挂键上的能态电子在悬挂键上的能态表面态，处在禁带中，表面态，处在禁带中，起电子陷阱作用起电子陷阱作用.(2)(2)半导体表面的双电层和表面势半导体表面的双电层和表面势 体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，它与体内空穴形成双电层它与体内空穴形成双电层.第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若表面态能级在导带底附近若表面态能级在导带底附近施
88、主型施主型若表面态能级在价带顶附近若表面态能级在价带顶附近受主型受主型 表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层，例如：例如：表面层带有正过剩电荷表面层带有正过剩电荷 电子聚集在空间电荷层电子聚集在空间电荷层导电好导电好形成聚集层形成聚集层 导电更好（表面处）导电更好（表面处）内部内部n n型型表面层表面层(空间电荷区空间电荷区)表面正过表面正过剩电荷固剩电荷固定不动定不动聚集层聚集层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成表面层带有负过剩电荷表面层带有
89、负过剩电荷 电子向体内流动电子向体内流动形成耗尽层（电子）形成耗尽层（电子）表面处比内部更不易导电表面处比内部更不易导电. .内部内部n n型型表面层表面层(空间电荷区空间电荷区)表面负过表面负过剩电荷固剩电荷固定不动定不动耗尽层耗尽层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成表面层带很多负过剩电荷表面层带很多负过剩电荷 n n型中的少数载流子空穴型中的少数载流子空穴聚集在空间电荷层聚集在空间电荷层形成反型层形成反型层内部内部n n型型表面层表面层(空间电荷区空间电荷区)表面很多表面很多负过剩电负过剩电荷固定不荷固定不动动耗尽层耗尽层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成半导体
90、空间电荷层厚半导体空间电荷层厚10102 2-10-103 3nmnm 金属空间电荷层厚零点几金属空间电荷层厚零点几nm.nm. 其因：半导体内自由载流子少，为聚集足够多其因：半导体内自由载流子少，为聚集足够多 的电荷，以平衡表面层中的被陷过剩电荷，的电荷，以平衡表面层中的被陷过剩电荷， 在半导体中需要较厚的空间电荷层。在半导体中需要较厚的空间电荷层。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（3 3）介质表面的双电层和表面势）介质表面的双电层和表面势 与半导体类似，但空间电荷层有厚，说明如下与半导体类似，但空间电荷层有厚，说明如下: : 设表面态在介质的禁带中均匀分布，其密度设表面态在
91、介质的禁带中均匀分布，其密度（单位面积单位能量）为（单位面积单位能量）为NsNs。热平衡表面态的费米。热平衡表面态的费米 能级与体内一致，所以电子从导带填充到表面态上能级与体内一致，所以电子从导带填充到表面态上表面态表面态表面和内部在平衡之前表面和内部在平衡之前EFn n型型平衡后平衡后第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成电子从导带填充到表面态，知道表面态的最高电子从导带填充到表面态，知道表面态的最高填充填充能级与体内费米级一致为止，但是在绝缘介质中，能级与体内费米级一致为止，但是在绝缘介质中，导带上电子极少，所以导带上电子极少，所以d d0 0很大。很大。（4 4）表面态分布）表
92、面态分布历史：达姆：电势在表面中断表面电子波函数历史：达姆：电势在表面中断表面电子波函数 薛定谔方程薛定谔方程允许能级允许能级 结果：这个允许能级在禁带中结果：这个允许能级在禁带中达姆能级达姆能级第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成位能位能x表面表面位能位能x表面表面ECEV达姆能级达姆能级肖克莱：位能（表面）取如下：肖克莱：位能（表面）取如下：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成位能位能表面表面位能位能表面表面ECE量子力学量子力学微扰微扰第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成电子陷阱表面态能级电子陷阱表面态能级空穴陷阱表面态能级空穴陷阱表面态能级第一讲第一
93、讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成一般来说：一般来说： 表面态处在禁带中，并且其最大态密度表面态处在禁带中，并且其最大态密度靠近导带底和价带项靠近导带底和价带项. .表面态是电子陷阱，表面态表面态是电子陷阱，表面态能级靠近导带；表面态是空穴陷阱，表面态能靠能级靠近导带；表面态是空穴陷阱，表面态能靠近价带近价带. . 表面态的能级密度与表面的原子密度同数表面态的能级密度与表面的原子密度同数量级量级. . 浅态浅态快态：交流电子快（介质与半导体）快态：交流电子快（介质与半导体） 深态深态慢态：交流电子慢（金属与介质）慢态：交流电子慢（金属与介质）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成
94、42 42 表面电场效应表面电场效应 采用加电感应的方法，使半导体表面感应出积累层，采用加电感应的方法，使半导体表面感应出积累层，耗尽层，和反型层。在耗尽层，和反型层。在MISMIS结构上加电压可实现结构上加电压可实现. . MIS MIS结构可视一个电容器，加电压充电。两端电结构可视一个电容器，加电压充电。两端电荷异号金属中，自由电子密度高，电荷仅在一个原荷异号金属中，自由电子密度高，电荷仅在一个原子层内子层内. . 半导体，自由载流子密度很低，电荷分布一半导体，自由载流子密度很低，电荷分布一定厚度内定厚度内空间电荷层空间电荷层电场减弱电场减弱电势变化电势变化 半导体表面的电势为表面势半导体
95、表面的电势为表面势VsVs第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（1 1）多数载流子的积累）多数载流子的积累 靠近表面处能带向上弯曲，形成电子的能量位垒。靠近表面处能带向上弯曲，形成电子的能量位垒。但对空穴来说，则是能谷既是负的表面电势把空穴但对空穴来说，则是能谷既是负的表面电势把空穴（多数载流子）吸引到半导体表面区，形成带正电（多数载流子）吸引到半导体表面区，形成带正电的积累层。的积累层。 对于对于P P型半导体型半导体第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成欧姆接触欧姆接触介质介质半导体半导体金属金属 导体导体介质介质半导体半导体（中性）（中性）不加外电压不加外电压第一讲
96、第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成欧姆接触欧姆接触型型型半导体型半导体介质介质金属金属空穴（可动）空穴（可动）第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成欧姆接触欧姆接触型型型半导体型半导体介质介质金属金属电子（可动）电子（可动）型型对于对于n n型半导体型半导体第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 加加V Vg0,g0,金属电极上充有正电荷金属电极上充有正电荷E EF F下降下降qVgqVg, ,半导体的表面势半导体的表面势VsVs为正，使靠近表面处的能带向为正，使靠近表面处的能带向下弯曲，造成电子的能谷。即正表面势把电子下弯曲，造成电子的能谷。即正表面势把电子（多数
97、载流子）吸引到表面区，形成带负电的（多数载流子）吸引到表面区，形成带负电的积累薄层积累薄层（2 2）多数载流子的耗尽）多数载流子的耗尽对于对于P P型半导体型半导体MISMIS中，金属接正，中，金属接正， P P型半导体接负型半导体接负 Vg0Vg0在在MISMIS（P P型半导体）上加正电压型半导体）上加正电压负离子不可动负离子不可动 （电离受主）（电离受主）xdxd较大较大第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成型半导体型半导体介质介质金属金属0gV 不可动不可动第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 当电压当电压VgVg较小时，空穴被赶走，形成耗尽层较小时，空穴被赶走，
98、形成耗尽层= =由电由电离受主构成一负空间电荷区当电压离受主构成一负空间电荷区当电压VgVg较大时，负空间较大时，负空间电荷区加宽，且少数电子被吸引到表面当电压电荷区加宽，且少数电子被吸引到表面当电压VgVg达到达到某一某一“阙值阙值”时，表面电子浓度迅速增大，在表面处形时，表面电子浓度迅速增大，在表面处形成一个少数载流子的反型层，这里的少数载流子就是成一个少数载流子的反型层，这里的少数载流子就是电子电子. . 对于对于n n型半导体的型半导体的MISMIS，金属接负，金属接负，n n型半导体接正，型半导体接正，Vg0 Vg0 vg0 表面处能表面处能带向下弯曲，少数载流子被吸引在表面，但数量
99、不多带向下弯曲，少数载流子被吸引在表面，但数量不多 当进一步增大当进一步增大vgvg，能带进一步弯曲，当表面处的，能带进一步弯曲，当表面处的费米能级高于禁带中的能级费米能级高于禁带中的能级EiEi，即费米能级离导带底，即费米能级离导带底比离价带顶更近一些时，表面处的电子浓度将超过空比离价带顶更近一些时，表面处的电子浓度将超过空穴浓度，从而成为与原来的穴浓度，从而成为与原来的P P型半导体相反的一层型半导体相反的一层 反型层反型层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成型半导体型半导体介质介质金属金属0gV 不可动不可动第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成下面求表面势下面求表
100、面势v vs s和耗尽层最大厚度和耗尽层最大厚度 表面势表面势v vs s：是表面电势与体内电势之差：是表面电势与体内电势之差第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 在该条件下，半导体内的在该条件下，半导体内的E EF F在在EiEi以下以下qEqEF F, ,而在而在半导体表面半导体表面E EF F正好在正好在EiEi以上以上qVqVF F, ,这表明表面反型载这表明表面反型载流子（电子）的浓度为：流子（电子）的浓度为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成它刚好等于体内多数载流子（空穴）的浓度它刚好等于体内多数载流子（空穴
101、）的浓度即，在表面层内与在体内相比，电子和空穴的浓度即，在表面层内与在体内相比，电子和空穴的浓度已刚好完全颠倒过来了已刚好完全颠倒过来了强反型层强反型层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 对于以对于以n n型半导体为基的型半导体为基的MISMIS结构，金属电极接负极，结构，金属电极接负极，当负电压大到阙值时，出现强反型层如图：当负电压大到阙值时，出现强反型层如图：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成型半导体型半导体介质介质金属金属0gV 不可动不可动第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成n型半导体型半导体介质介质金属金属第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成
102、薄膜的形成可见，两个电极间的电导可用栅压来控制，这可见，两个电极间的电导可用栅压来控制，这就是薄膜场效应管的基本工作原理就是薄膜场效应管的基本工作原理应用应用 薄膜场效应管薄膜场效应管栅极栅极源极源极漏极漏极欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触半导体半导体第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面( (续续) ) 第第1010讲讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个
103、电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4 43 3 电接触电接触4.3.1 4.3.1 逸出功和接触电势差逸出功和接触电势差 认为表面电势近似为突变如图认为表面电势
104、近似为突变如图图中：图中：E E0 0：表示真空中静止电子的能级：表示真空中静止电子的能级第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n型半导体型半导体电介质电介质第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成EcEc：导带底：导带底 EvEv：价带顶：价带顶 EcEc即是晶体中自由电子所具有的最低能级，它相当即是晶体中自由电子所具有的最低能级，它相当于晶体中静止的自由电子的能量于晶体中静止的自由电子的能量. . W W：真空能级与导带底能级之差，即将晶体中静止：真空能级与导带底能级之差，即将晶体中静止电子移至晶体处真空中所需要的能量电子移至晶体处真空中所需要的能量电子亲和能电子
105、亲和能 逸出功逸出功: : 是将电子从费米能级是将电子从费米能级E EF F移至真空中所需要移至真空中所需要的最小能量，若以的最小能量，若以EcEc为参数能级为参数能级, , 则则 E EF F 费米能级是系统的化学势能，即是系统中增加一个费米能级是系统的化学势能，即是系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化。电子所引起系统自由能的变化。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 接触电势差是逸出功不同的两个物体接触以后，接触电势差是逸出功不同的两个物体接触以后，由于电子从逸出功小的物体流向逸出功较大的物体，由于电子从逸出功小的物体流向逸出功较大的物体，最后达到平衡状态，两物体的费米能级
106、相同。最后达到平衡状态，两物体的费米能级相同。结果前者带正电，电势降低；后者带负电，电势升高；结果前者带正电，电势降低；后者带负电，电势升高；在两者之间产生了电势差在两者之间产生了电势差接触电势差接触电势差式中式中V V1 1和和V V2 2分别为物体分别为物体1 1和和2 2的逸出电势的逸出电势第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.3.2 4.3.2 金属与金属的接触金属与金属的接触 例如例如Ag(Ag(银银) )和铜接触，逸出功不同和铜接触，逸出功不同 从能量观点来看，电子将从逸出功较小的金属从能量观点来看，电子将从逸出功较小的金属向另一金属流动，直到最高能量的电子在这两种金
107、向另一金属流动，直到最高能量的电子在这两种金属中占有相同的能级。属中占有相同的能级。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成接触前能级图接触前能级图接触后能级图接触后能级图第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 两金属自由电子浓度不同也要引起电势差，因为两金属自由电子浓度不同也要引起电势差，因为浓度大的要向浓度小的一方扩散，从而前者带正电，浓度大的要向浓度小的一方扩散，从而前者带正电，后者带负电。有自由电子论知，其静电电势差为：后者带负电。有自由电子论知，其静电电势差为：所以，两个金属的接触电势差为：所以，两个金属的接触电势差为：上述是在理想接触情况下的结果事实上，上述是在理
108、想接触情况下的结果事实上，接触有三种如下：接触有三种如下：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成a.a.紧密接触紧密接触式中式中为金属的电阻率，为金属的电阻率，Q Q为凸点的半径若有为凸点的半径若有n n个个接触点，则总电阻为：接触点，则总电阻为：设间隙的宽度为设间隙的宽度为d d假设金属中的一个假设金属中的一个电子到电子到x x处，处， 金属金属1金属金属2第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成当当xxx , xdx , x时，时，显然：显然：为金属为金属1 1的逸出功的逸出功第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 若在外加电场若在外加电场E E作用下如图作用下
109、如图, ,则电子所受电场力为则电子所受电场力为- -qEqE, ,势能为势能为- -qExqEx. .所以，电子由金属所以，电子由金属1 12 2所需要的功为：所需要的功为：同样分析，电子由金属同样分析，电子由金属2 21 1所需的功为：所需的功为：根据肖特基发射理论，根据肖特基发射理论，金属金属1金属金属2第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成总电流密度：总电流密度：在强电场下，在强电场下，qEdqEdkTkT，则有：，则有：式中：式中：由此可得出间隙的电导率和电阻率分别为：由此可得出间隙的电导率和电阻率分别为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 三种接触电阻是并联的
110、，并且三种接触电阻是并联的，并且R R1 1RR2 2RR3 3第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.3.3 4.3.3 半导体与半导体接触半导体与半导体接触半导体导电类型半导体导电类型 电子导电电子导电n n型半导体型半导体 空穴导电空穴导电p p型半导体型半导体同质接触同质接触PnPn结结异质接触异质接触第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成依结的宽度可分为：依结的宽度可分为： 实变型结：结宽仅有几个原子长度的范围内实变型结：结宽仅有几个原子长度的范围内 缓变型结：结宽在几个扩散长度范围内缓变型结：结宽在几个扩散长度范围内 单边实变结：过渡在一种半导体中只有几个单边
111、实变结：过渡在一种半导体中只有几个原子长度，而在另一种半导体中却为几个扩散长度原子长度，而在另一种半导体中却为几个扩散长度同质方法同质方法P P型半导体和型半导体和N N型半导体接触型半导体接触第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 这时，空间电荷层具有一定的厚度，其厚度与接触这时，空间电荷层具有一定的厚度，其厚度与接触类型和材料而异，通常是微米数量级。两边存在电位类型和材料而异，通常是微米数量级。两边存在电位差，其中电荷分布与电位关系服从泊松方程，由差，其中电荷分布与电位关系服从泊松方程，由第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成空间电荷层空间电荷层电位分布电位分布能级图能
112、级图第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 在反向连接情况下，耗尽层（空间电荷层）加宽，在反向连接情况下，耗尽层（空间电荷层）加宽，几乎没有多数载流子电流。但是，这时对于几乎没有多数载流子电流。但是，这时对于P P型半导型半导体中少数载流子空穴来说却是正向连接，形成少数载体中少数载流子空穴来说却是正向连接，形成少数载流子的电流（流子的电流（AA数量级）数量级）饱和电流饱和电流 在正向连接情况下，耗尽层变窄，多数载流子形成在正向连接情况下，耗尽层变窄，多数载流子形成大电流（大电流（mAmA数量级）。这时，外加电流与自建电场方数量级）。这时，外加电流与自建电场方向相反，所以多数载流子的飘
113、移电流减小，而扩散电向相反，所以多数载流子的飘移电流减小，而扩散电流不变，因而流经流不变，因而流经p-np-n结的净电流是扩散电流。结的净电流是扩散电流。下面建立流过下面建立流过p-np-n结的电流密度（正向连接）公式：结的电流密度（正向连接）公式：P P接负，接负，n n接正接正电流很小（称为反向连接）电流很小（称为反向连接）P P接正，接正，n n接负接负电流很大（称为正向连接）电流很大（称为正向连接）P-NP-N结具有整流特性：结具有整流特性：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（）平衡状态下（）平衡状态下P型型型型（）（）加正电压加正电压V V下下P型型型型第一讲第一讲 第
114、一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成电子处于能量为电子处于能量为E E的状态几率为：的状态几率为：在在p-np-n结的结的n n型材料一边，导带中的电子数：型材料一边，导带中的电子数：其中具有能量其中具有能量的电子数为：的电子数为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成若在若在P P型半导体上加以正电压型半导体上加以正电压V V，则其费米能级下降，则其费米能级下降qVqV。在这种情况下，虽然在这种情况下，虽然 不变，不变，但是，在但是，在n n型半导体一边具有能量为型半导体一边具有能量为的电子数的电子数n nn n不再是平衡状态下的不再是平衡状态下的n nn n，而是，而是因此有：因此有
115、：在平衡状态下，可移动的载流子处于稳定平衡状态。在平衡状态下，可移动的载流子处于稳定平衡状态。P P型半导体导带中的电子数型半导体导带中的电子数应当等于应当等于和和第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 因此，在界面两边产生电子密度差（因此，在界面两边产生电子密度差（nn-npnn-np）, ,电子从电子从n n型区向型区向p p型区扩散，从而产生从型区扩散，从而产生从p p型区向型区向n n型型区的扩散电流，其电流密度为：区的扩散电流，其电流密度为：与此类似有：与此类似有： 式中：式中：0 0是电子从是电子从n n区到区到p p区（或者空穴要从区（或者空穴要从p p区区到到n n区
116、）需要越过的一个势垒高度，这个势垒就是区）需要越过的一个势垒高度，这个势垒就是p-np-n结空间电荷区所形成的电势差结空间电荷区所形成的电势差VdVd与电子电荷的与电子电荷的乘积，而乘积，而VdVd称为称为p-np-n结的接触电势差，其值为：结的接触电势差，其值为： 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成式中：式中：N ND D和和N NA A分别为分别为n n区和区和p p区的净杂质浓度区的净杂质浓度 n ni i：为半导体的本证载流子浓度：为半导体的本证载流子浓度接触电势差接触电势差VdVd的大小由下述三方面决定：的大小由下述三方面决定：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜
117、的形成 薄膜薄膜p-np-n结二极管结二极管窄二极管，窄二极管，p,np,n区很薄，其区很薄，其厚度远小于少数载流子的扩散度，这表示在厚度远小于少数载流子的扩散度，这表示在p-np-n结结两边，在结与欧姆两边，在结与欧姆接触（电极的）之间不发生电子接触（电极的）之间不发生电子与空穴的复合。与空穴的复合。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（2 2）异质结）异质结以以n-nn-n型同型异质结为例型同型异质结为例假设两种假设两种n n型半导体的逸出功分别为型半导体的逸出功分别为1 1和和2 2，亲和能分别为亲和能分别为x x1 1和和x x2 2，且，且1 12 2 和和x x1 1x
118、 s s时，形成整流接触时，形成整流接触 当当m m s s时，时， 接触后，半导体界面层中的电子流向金属，接触后，半导体界面层中的电子流向金属，该层中留下带正电的施主；该层中留下带正电的施主；半导体导带上弯半导体导带上弯第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成（a）接触前）接触前n型型金属金属n型型金属金属（b）接触前）接触前空间电荷层空间电荷层第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 金属内电子很多，尽管半导体中的电子流向了金属，金属内电子很多，尽管半导体中的电子流向了金属，但这点电子数对金属来说增加不显然，如同大杯水中但这点电子数对金属来说增加不显然，如同大杯水中增加一两
119、滴水一样。因此，金属一侧没有空间电荷层，增加一两滴水一样。因此，金属一侧没有空间电荷层，即没有电位差。全部电位变化都发生在半导体的界面即没有电位差。全部电位变化都发生在半导体的界面层中，并具有整流性。层中，并具有整流性。 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成通向通向(a)(a)(b)(b)阻向阻向(c)(c)第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成且（且（n ns s- n- nm m）0 0 半导体中电子流向金属，半导体中电子流向金属，或者说从金属到半导体的静电流密度为：或者说从金属到半导体的静电流密度为：（a a）在平衡状态下，）在平衡状态下，n nm m=n=ns s
120、静电流为零静电流为零（b b）半导体上加一负电压（）半导体上加一负电压（-V-V），半导体中），半导体中 电子的能位上升电子的能位上升 ns(c) (c) 半导体上加正电压半导体上加正电压(+V),(+V),半导体中电子的能半导体中电子的能 位下降位下降且（且（n nm m-n-ns s）0,0,金属中电子流向半导体，或者说从半导体到金属中电子流向半导体，或者说从半导体到金属的静电流密度为：金属的静电流密度为：并且：并且：V Vn ns sJ Jmsmsn ns s通向通向第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成并且：并且：V Vn ns sJ Jmsms 由此可见：当由此可见：当m
121、m s s时，金属与时，金属与n n型半导体具有型半导体具有整流特性整流特性正向：金属接正，半导体接负，正向：金属接正，半导体接负， 导通导通反向：金属接负，半导体接正，反向：金属接负，半导体接正， 不导通不导通第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成当当m m s s时时n 型型金属金属(a)(a)接触前接触前n 型型(b)(b)接触后接触后(c)(c) ()n n型型金属金属( - )金属金属n n型型(d)(d) 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 接触后，自由电子从金属移向半导体，直到两者接触后，自由电子从金属移向半导体，直到两者的费米能级相同为止。因为移入的电子
122、在能量上尚的费米能级相同为止。因为移入的电子在能量上尚达不到半导体的导带，所以不能形成负的空间电荷，达不到半导体的导带，所以不能形成负的空间电荷，而只构成半导体的表面电荷，结果在界面处形成很而只构成半导体的表面电荷，结果在界面处形成很薄的双电层，半导体的导带不变，其界面区具有类薄的双电层，半导体的导带不变，其界面区具有类金属的性质。在界面处没有位垒，而是形成了一个金属的性质。在界面处没有位垒，而是形成了一个位谷。电子可以经过界面自由移动，成为欧姆接触。位谷。电子可以经过界面自由移动，成为欧姆接触。在外加电压时，电压全部降落在半导体内部，在相在外加电压时，电压全部降落在半导体内部，在相反两个方向
123、上都是增大电流。反两个方向上都是增大电流。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面( (续续) ) 第第1111讲讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到
124、几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属表面带正电，半导体的界面层中带负电，金属表面带正电，半导体的界面层中带负电， 由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的价带顶的距离增大，价带向下弯曲价带顶的距离增大，价带向下弯曲正电荷面正电荷面金属一侧金属一侧半导体一侧半导体一侧负电荷层（空间电荷层），负电荷层（空间电荷层），由电离的受主构
125、成由电离的受主构成 当当m m m m 电流为电流为导致有较多的空穴从半导体流向金属：导致有较多的空穴从半导体流向金属：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 图（图（e e）：）：V Vm m=0=0，V Vs s=-V=-V，即半导体一侧接负，即半导体一侧接负 半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能位下降位下降但：但： 对金属来说对金属来说m m很小很小. . 阻向，反向阻向，反向导致有空穴从金属流向半导体形成电流：导致有空穴从金属流向半导体形成电流：m m s s第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成当当m m s s时，
126、金属与时，金属与p p型半导体接触如图：型半导体接触如图：(a)(a)接触前接触前p 型型金属金属杂质能级杂质能级msmsp 型型金属金属(b)接触后接触后第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体流向金属，并瞬时得到中和。因为
127、热激发，在金属导流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没有整流效应，是欧姆接触有整流效应，是欧姆接触 有表面态的影响有表面态的影响 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成对于金属与半导体薄膜的接触：对于金属与半导体薄膜的接触：须进行研究须进行研究n n型半导体型半导体CdsCds薄膜薄膜碲，铂，金接触碲，铂，金接触整流接触整流接触铝，铬，铟接触铝，铬，铟接触欧姆接触欧姆接触第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成(3) (3) 表面态对接触特性的影响表面态对接触特性的影响 接触界
128、面的电荷分布和势垒是由金属表面态和接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统美欧相互接触，如下美欧相互接触，如下 E EF F是表面态处于电中性时的费米能级，可将是表面态处于电中性时的费米能级，可将它看成是填满的和空的表面能解的分界线。它看成是填满的和空的表面能解的分界线。金属金属p 型型接触前接触前: :各自处于电中性的各自处于电中性的情况情况第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成s s：从表面态：从表面态E EF F到真空能解的能量到真空能解的能量0 0：从表面态：从表面态E EF F到导带
129、底的能量到导带底的能量 硅，锗，砷化镓等硅，锗，砷化镓等 先讨论金属与表面态间的平衡先讨论金属与表面态间的平衡 m m s s 电子从金属流入半导体表面电子从金属流入半导体表面态态金属正，半导负，金属正，半导负，相应形成点位差相应形成点位差（金属一边为正）。（金属一边为正）。金属为正，金属为正，费米能级下降费米能级下降整个金属能带下降整个金属能带下降q q 电子流进表面态电子流进表面态表面态的费米能级升高表面态的费米能级升高间隙间隙在在第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成原来金属的费米能级比表面态的高（原来金属的费米能
130、级比表面态的高（），），接触后，金属的费米能级下降接触后，金属的费米能级下降q q，表面态的费米能，表面态的费米能级上升级上升 从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：在没有表面态时，界面间距在没有表面态时，界面间距很小，其上电位差很小，其上电位差 在补偿在补偿中，中，q q为主，为主，为辅。为辅。 平衡平衡很小可忽略在有表面态时，在很小可忽略在有表面态时，在上的电位差可达上的电位差可达一伏特的数量级，此处电场大一伏特的数量级，此处电场大.第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与这说明金属和表
131、面态上单位面积的电荷多再考虑与半导体内部取得平衡由于半导体内部的半导体内部取得平衡由于半导体内部的E Eg g高于金属和表高于金属和表面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态双电层双电层在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区，在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区，在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。 在表面态很多，其能态
132、密度很大的极端情况下，在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下，不管表面态和金属交换多少电子，表面态的不管表面态和金属交换多少电子，表面态的E EF F都将都将变化很小，甚至认为：变化很小，甚至认为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成为单位面积上由金属到表面态的电子数为单位面积上由金属到表面态的电子数D D为表面态单位面积的态密度（单位能量）为表面态单位面积的态密度（单位能量） 所以，金属和表面态单位面积的电荷为所以，金属和表面态单位面积的电荷为在在内的场强内的场强 （来源于电场高斯定理）（来源于电场高斯定理）间的电
133、位差间的电位差为：为：所以在所以在由平衡条件：由平衡条件： 但在一般情况下，金属的逸出功但在一般情况下，金属的逸出功对对（势垒高度）（势垒高度）是有影响的，是有影响的，第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功而变化的。而变化的。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成前面的系数是一个分数前面的系数是一个分数对于对于n n型硅：这个系数为型硅：这个系数为说明势垒高度的变化只有金属逸出功的说明势垒高度的变化只有金属逸出功的 实际的金属实际的金属半导体接触一般都具有较高哦半导体接触一般都具有较高哦阿德表面态高
134、度，所以，达到平衡时，界面处阿德表面态高度，所以，达到平衡时，界面处费米能级必然很接近原来表面态的费米能级费米能级必然很接近原来表面态的费米能级对于大多数的主要半导体，对于大多数的主要半导体，在价带之上约在价带之上约处处随随变化的幅度要比变化的幅度要比小。小。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型FE金属金属p 型型FE(a) N(a) N型半导体型半导体(b) p(b) p型半导体型半导体金属金属- -半导体接触时的位垒半导体接触时的位垒第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成由图可知，由图可知，处在处在图中图中V Vs s表示半导体表面相对于内部的电势差表
135、示半导体表面相对于内部的电势差对于对于n n型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒对于对于p p型半导体，能带向下弯，构成对空穴的位垒型半导体，能带向下弯，构成对空穴的位垒 金属与半导体接触，一般都会形成位垒，金属与半导体接触，一般都会形成位垒，而构成整流接触而构成整流接触（价带之上）的位置，（价带之上）的位置，如果在金属如果在金属半导体接触时，无法避免产生位垒，半导体接触时，无法避免产生位垒，则可采用以下形成欧姆接触则可采用以下形成欧姆接触不论是不论是n n型或型或p p型半导体型半导体都将形成位垒都将形成位垒第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的
136、形成 第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒，第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒， 加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的 宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比 （单边突变结）（单边突变结） 第二种方法是在接触界面附件的半导体中引入大量的第二种方法是在接触界面附件的半导体中引入大量的 金属杂质，以破坏位垒的整流作用。金属杂质，以破坏位垒的整流作用。 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.3.5 金属与介质接触金属与介质接触电极电极( (金属金属) )与介质接触有如下三
137、种接触。与介质接触有如下三种接触。 注入注入( (欧姆欧姆) )接触；中性接触；阻挡接触接触；中性接触；阻挡接触 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成材料物理复习题材料物理复习题第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成1. 1. 简述物理气相沉积薄膜的物理过程简述物理气相沉积薄膜的物理过程2. 2. 简述简述: : 临界核概念临界核概念; ; 微滴理论微滴理论; ; 原子理论原子理论; ; 表面结构驰豫和重构表面结构驰豫和重构. .3. 3. 薄膜的形成的物理过程薄膜的形成的物理过程4.4.怎样描述薄膜与基片结构不匹配及解决措施怎样描述薄膜与基片结构不匹配及解决措施. .5
138、. 5. 薄膜的附着类型及薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素影响薄膜附着力的工艺因素.6. 6. 附着力的测试方法有哪些详述其中一种方法附着力的测试方法有哪些详述其中一种方法. .7.7.薄膜热应力与本征应力及内应力的区别薄膜热应力与本征应力及内应力的区别. .8. 8. 薄膜的电阻来源及与块材的区别薄膜的电阻来源及与块材的区别. .第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成9.9.简述热电子发射理论和肖特基发射理论简述热电子发射理论和肖特基发射理论10.10.简述简述玻耳兹曼输出方程玻耳兹曼输出方程电导率的统计理论电导率的统计理论11.11.简述简述半导体表面的双电层和表面态的形
139、成半导体表面的双电层和表面态的形成. . 12.12.叙述叙述半导体表面处的耗尽层和反型层并画出能半导体表面处的耗尽层和反型层并画出能 带结构图带结构图13.13.叙述反型异质结和同型异质结叙述反型异质结和同型异质结14.14.金属与型半导体接触时什么条件下形成整金属与型半导体接触时什么条件下形成整流接触流接触? ?什么条件下形成欧姆接触什么条件下形成欧姆接触? ? 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第四章第四章 薄膜的表面和界面薄膜的表面和界面( (续续) ) 第第1111讲讲 在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面在研究薄膜中，表面：固体和气体或真空的分界面 界面界面
140、: : 固体和固体的分界面固体和固体的分界面 几何表面：表面的几何分界面。几何表面：表面的几何分界面。 物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域物理表面：一个电子结构不同于内部的表面区域 由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异由于具体的材料不同，表面区的厚度有很大的差异 薄膜的常用厚度为几十到几百薄膜的常用厚度为几十到几百nm.nm. 金属的表面区只有一金属的表面区只有一. .二个原子层；二个原子层； 半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层；半导体的表面区，却有几个，甚至几千个原子层； 电介质的表面区更厚。电介质的表面区更厚。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属表面
141、带正电，半导体的界面层中带负电，金属表面带正电，半导体的界面层中带负电， 由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的由电子增多，所以半导体界面层的费米能解的价带顶的距离增大，价带向下弯曲价带顶的距离增大，价带向下弯曲正电荷面正电荷面金属一侧金属一侧半导体一侧半导体一侧负电荷层（空间电荷层），负电荷层（空间电荷层），由电离的受主构成由电离的受主构成 当当m m m m 电流为电流为导致有较多的空穴从半导体流向金属：导致有较多的空穴从半导体流向金属：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 图（图（e e）：）：V Vm m=0=0，V Vs s=-V=-V，即半导体一侧接负，即半导体一侧接
142、负 半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能半导体中的电子能为上升，或半导体中的空穴能位下降位下降但：但： 对金属来说对金属来说m m很小很小. . 阻向，反向阻向，反向导致有空穴从金属流向半导体形成电流：导致有空穴从金属流向半导体形成电流：m m s s第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成当当m m s s时，金属与时，金属与p p型半导体接触如图：型半导体接触如图：(a)(a)接触前接触前p 型型金属金属杂质能级杂质能级msmsp 型型金属金属(b)接触后接触后第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 接触后，电子从半导体流向金属，在半导体表面接触后，电子从半导体流向
143、金属，在半导体表面形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。形成空穴，在金属表面积积累电子，从而形成双电层。对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴对电子来说，界面处有相当大的位垒，但是对于空穴来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体来说，情况正好相反。因而空穴很易从空穴从半导体流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导流向金属，并瞬时得到中和。因为热激发，在金属导带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没带中形成的空穴也很易流入半导体，所以这种接触没有整流效应，是欧姆接触有整流效应，是欧姆接触 有表面态的影响有表面态的影响 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜
144、的形成对于金属与半导体薄膜的接触：对于金属与半导体薄膜的接触：须进行研究须进行研究n n型半导体型半导体CdsCds薄膜薄膜碲，铂，金接触碲，铂，金接触整流接触整流接触铝，铬，铟接触铝，铬，铟接触欧姆接触欧姆接触第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成(3) (3) 表面态对接触特性的影响表面态对接触特性的影响 接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和接触界面的电荷分布和势垒是由金属表面态和半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统半导体这三个电子系统的相互平衡决定，这三个系统美欧相互接触，如下美欧相互接触，如下 E EF F是表面态处于电中性时的费米能级，可将是表面态处于电中性时
145、的费米能级，可将它看成是填满的和空的表面能解的分界线。它看成是填满的和空的表面能解的分界线。金属金属p 型型接触前接触前: :各自处于电中性的各自处于电中性的情况情况第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成s s：从表面态：从表面态E EF F到真空能解的能量到真空能解的能量0 0：从表面态：从表面态E EF F到导带底的能量到导带底的能量 硅，锗，砷化镓等硅，锗，砷化镓等 先讨论金属与表面态间的平衡先讨论金属与表面态间的平衡 m m s s 电子从金属流入半导体表面电子从金属流入半导体表面态态金属正，半导负，金属正，半导负，相应形成点位差相应形成点位差（金属一边为正）。（金属一边为正
146、）。金属为正，金属为正，费米能级下降费米能级下降整个金属能带下降整个金属能带下降q q 电子流进表面态电子流进表面态表面态的费米能级升高表面态的费米能级升高间隙间隙在在第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成原来金属的费米能级比表面态的高（原来金属的费米能级比表面态的高（），），接触后，金属的费米能级下降接触后，金属的费米能级下降q q，表面态的费米能，表面态的费米能级上升级上升 从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：从金属费米能级到半导体导带的能量，即位垒为：在没有表面态时，界面间距在没有表面态时，界面间距很小，其
147、上电位差很小，其上电位差 在补偿在补偿中，中，q q为主，为主，为辅。为辅。 平衡平衡很小可忽略在有表面态时，在很小可忽略在有表面态时，在上的电位差可达上的电位差可达一伏特的数量级，此处电场大一伏特的数量级，此处电场大.第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与这说明金属和表面态上单位面积的电荷多再考虑与半导体内部取得平衡由于半导体内部的半导体内部取得平衡由于半导体内部的E Eg g高于金属和表高于金属和表面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态面态的费米能级，电子将从半导体流向金属和表面态双电层双电层在半导体一边形成有一定厚度的正空间
148、电荷区，在半导体一边形成有一定厚度的正空间电荷区，在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）在空间电荷区中的电位差（半导体一边为正）使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使半导体内的能带连同费米能级一起下降，最后使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。使金属表面态，半导体三个系统的费米能级都相同。 在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下，在表面态很多，其能态密度很大的极端情况下，不管表面态和金属交换多少电子，表面态的不管表面态和金属交换多少电子，表面态的E EF F都将都将变化很小，甚至认为：变化很小，甚至认为：第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型第一讲第
149、一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成为单位面积上由金属到表面态的电子数为单位面积上由金属到表面态的电子数D D为表面态单位面积的态密度（单位能量）为表面态单位面积的态密度（单位能量） 所以，金属和表面态单位面积的电荷为所以，金属和表面态单位面积的电荷为在在内的场强内的场强 （来源于电场高斯定理）（来源于电场高斯定理）间的电位差间的电位差为：为：所以在所以在由平衡条件：由平衡条件： 但在一般情况下，金属的逸出功但在一般情况下，金属的逸出功对对（势垒高度）（势垒高度）是有影响的，是有影响的，第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成该式具体说明了势垒高度如何随金属逸出功该式具体说明了势垒
150、高度如何随金属逸出功而变化的。而变化的。第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成前面的系数是一个分数前面的系数是一个分数对于对于n n型硅：这个系数为型硅：这个系数为说明势垒高度的变化只有金属逸出功的说明势垒高度的变化只有金属逸出功的 实际的金属实际的金属半导体接触一般都具有较高哦半导体接触一般都具有较高哦阿德表面态高度，所以，达到平衡时，界面处阿德表面态高度，所以，达到平衡时，界面处费米能级必然很接近原来表面态的费米能级费米能级必然很接近原来表面态的费米能级对于大多数的主要半导体，对于大多数的主要半导体，在价带之上约在价带之上约处处随随变化的幅度要比变化的幅度要比小。小。第一讲第一讲
151、 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成金属金属n 型型FE金属金属p 型型FE(a) N(a) N型半导体型半导体(b) p(b) p型半导体型半导体金属金属- -半导体接触时的位垒半导体接触时的位垒第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成由图可知，由图可知，处在处在图中图中V Vs s表示半导体表面相对于内部的电势差表示半导体表面相对于内部的电势差对于对于n n型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒型半导体，能带向上弯，构成对电子的位垒对于对于p p型半导体，能带向下弯，构成对空穴的位垒型半导体，能带向下弯，构成对空穴的位垒 金属与半导体接触，一般都会形成位垒，金属与半导体接触，一般都
152、会形成位垒，而构成整流接触而构成整流接触（价带之上）的位置，（价带之上）的位置，如果在金属如果在金属半导体接触时，无法避免产生位垒，半导体接触时，无法避免产生位垒，则可采用以下形成欧姆接触则可采用以下形成欧姆接触不论是不论是n n型或型或p p型半导体型半导体都将形成位垒都将形成位垒第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒，第一种方法是用在半导体中高浓度掺杂，以减薄位垒， 加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的加强隧道效应。因为隧道长度就是空间电荷区的 宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比宽度。而后者与半导体掺杂浓度的平方根成反比 （单边突变结）（单边突变结） 第二种方法是在接触界面附件的半导体中引入大量的第二种方法是在接触界面附件的半导体中引入大量的 金属杂质，以破坏位垒的整流作用。金属杂质，以破坏位垒的整流作用。 第一讲第一讲 第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成4.3.5 金属与介质接触金属与介质接触电极电极( (金属金属) )与介质接触有如下三种接触。与介质接触有如下三种接触。 注入注入( (欧姆欧姆) )接触；中性接触；阻挡接触接触；中性接触；阻挡接触
