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1、 9.3 介质薄膜的电学性质 9.4 半导体薄膜的性质 9.5 薄膜的其他性质2015.05.26一、绝缘性质二、介电性质三、压电性质四、热释电性质五、铁电性质介质薄膜电学性质 介质薄膜绝缘性能的研究主要是为了制作薄膜电子元器件中的绝缘层。对绝缘性能的研究主要是电导和击穿特性介介质薄膜的薄膜的电导 在测量介质薄膜的电导时，需在介质膜的两面制作电极，形成金属一介质一金属(MIM)结构，只有在电极与介质的接触是欧姆接触时，测出的电导才是介质膜的电导。1介质薄膜电导的分类1)按载流子的性质：可分为离子型电导和电子型电导。通常两种同时存在。2)按载流子的来源分，离子电导和电子电导都有两种来源：一种是来
2、源于介质薄膜本身的，称本征电导；另一种是由膜中的杂质和缺陷引起的电导，称为杂质电导或非本征电导。 2介质膜的电导与场强和温度的关系1)通常在低场强(E106Vcm)下，电导为非欧姆性的；例如介质膜用作电容器中的工作介质时的情况。3)在一般电场条件下,介质薄膜的电导率随温度升高而增加。高温下为本征电导，中低温时不同温度范围激活能不同。介介质薄膜的薄膜的击穿穿 当施加到薄膜上的电场强度达到某一数值，它便立即失去绝缘性能，这种现象叫做击穿。从击穿对薄膜造成的影响分类1）如果击穿电场持续加在薄膜上，将有较大电流通过将其烧毁，这种击穿成为硬击穿。2）有些介质膜在击穿时并不烧毁而是长期稳定的工作维持低阻态
3、，这种膜的击穿成为软击穿。从击穿机理分类 1) 由于外加电场引起的击穿称为本征击穿 2) 因薄膜缺陷引起的击穿称为非本征击穿介质膜的本征击穿 本征击穿由电击穿和热击穿共同作用完成。电击穿是介质膜中载流子在临界电场作用下产生电子倍增而形成的击穿。电击穿时电子雪崩式增加，产生大量焦耳热，介质膜温度迅速上升，介质膜电导随温度上升指数型增加，进一步导致电流增大，最后造成局部地区产生热分解、挥发或熔化，促成热击穿。常见介质膜的击穿场强对于同一种介质膜，因制造方法不同其击穿场强有较大的区别，产生这种差异的原因是不同制造方法在介质薄膜制备过程中产生的针孔、微裂痕、纤维丝和杂质缺陷等不同。二、介质薄膜的介电性
4、质作为薄膜电容器使用时，其电学性质主要研究的是介电常数和介质损耗。介质薄膜的介电常数 根据极化性质的不同，将介质薄膜分为极化型介质薄膜和非极化型介质薄膜。 由于极化强弱与介质薄膜中总电荷数以及电荷间相互作用强弱有关，所以介质薄膜介电常数与原子序数有关。 介电薄膜的温度系数也是其介电性能的重要参数。在测量温度系数时必须在介质膜上制备欧姆接触电极，构成一个片状电容器。在测量电容器温度系数后再推求出介电常数的温度系数 式中d为薄膜厚度热膨胀系数，可直接测出。介质薄膜的损耗 对薄膜施加交变电场后，由于电导和极化方面的原因，必然产生能量损耗，用损耗角的正切值tan（%）表示介质薄膜的损耗由三部分构成电导
5、损耗。在低频下比较显著。 弛豫型损耗。与交变电场频率有密切关系，高频显著。非弛豫型损耗。由膜内不均匀性造成，与频率几乎无关。三、介质薄膜的压电性质带电粒子在应力作用下发生相对位移而极化，在晶体两端产生符号相反的束缚电荷，电荷密度与应力成线性关系。这种由于应力作用使表面产生极化电荷的现象称为正压电效应。当晶体受到电场作用时在它的某个方向发生应变，且应变与场强成线性关系，称为负压电效应。 这两种效应综合在一起称为压电效应。目前应用最多的压电薄膜有ZnO和AlN压电薄膜的结构 为了产生极化电荷，要求：（1）离子晶体（2）晶体结构没有对称中心（3）所选材料各微晶基本上有相同取向（4）微晶原子排列上要求
6、立方晶结构闪锌矿或者六方晶结构纤锌矿。压电性能参数机电耦合系数压电系数d 单位应力作用下产生的极化强度或者单位电场作用下产生的应变机械品质因数Qm 描述压电材料在谐振时机械能损耗的数量电学品质因数Qe 描述损失的交变电流能量无功电流有功电流四、介质薄膜的热释电性质具有自发极化的晶体被加热时表面上出现电荷的现场称为热释电效应。当给热释电晶体施加电场时，会引起晶体温度的变化，这称为电卡效应。热释电晶体要求具有自发极化型，且结构上没有对称中心。五、介质薄膜的铁电效应铁电体：某些晶体在一定温度范围内具有自发极化，且这种自发极化方向可以随着电场方向而变化。铁电体的特征：具有电滞回线（极化强度P和外电场E
7、间的特定关系）存在一个临界温度，即铁电居里温度其介电性、热学、光学、弹性性质在在临界温度附近出现反常现象。目前研究较多的铁电薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3半导体薄膜的发展与半导体器件及集成电路的发展有着密切的关系，在各种半导体材料中，半导体薄膜占有非常重要的地位。首先得到应用的半导体材料就是半导体薄膜。(氧化亚铜整流器、锗整流器件)本节仅就单晶、多晶、非晶和氧化物半导体薄膜等四种材料的性质作些扼要介绍。1.硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜3.族化合物半导体薄膜4.族化合物半导体薄膜。1.硅外延薄膜 所谓“外延”(epitaxy)就是原子以单晶形式排列在单晶基体上，
8、使最后形成的薄膜层的晶格结构恰好是基体晶格结构的延续(外延)。 硅外延薄膜是通过化学气相沉积法(CVD)制造的。厚度在1m到20m之间变化。(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影响。在CVD法制膜过程中：1）气流速度过快，会形成不稳定的紊流，外延膜中间厚，边缘薄；2）气流速度过慢，结果是膜的中间薄边缘厚。 此外， 外延膜电阻率均匀问题决定于薄膜形成时加入到反应气体中杂质的种类和数量。生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题：(2)自动掺杂效应 在外延膜生长过程中来自基体中的杂质掺杂称为自动掺杂效应。 抑制自动掺杂效应采取的措施：减小外延膜生长时的气压(减压CV
9、D)，减小外延膜成长速率，增大气体流量使用低蒸气压掺杂剂(3)结构缺陷 在外延膜中的结构缺陷有位错、积层缺陷、析出物、杂质异物和氧化缺陷等。从广义角度看，还有氧、碳及重金属杂质、原子空位和填隙原子等点缺陷。目前研究较多的缺陷是硅氧化时从表面引入的积层缺陷。(衡量这种缺陷的参数是积层缺陷长度L，它与氧化时间t及温度T有关)。（4） 掩埋层变形和偏移。 硅外延膜生长时容易产生掩埋层位置移动和边缘塌陷变形现象。它与生长温度，气体种类，基体晶面方位等有关。2.SOS(Si on Sapphire)膜 在蓝宝石基体上外延生长的Si膜称为SOS薄膜。它是制造大规模集成电路的理想材料。利用SOS膜可提高电路
10、的集成度、工作速度和可靠性，实现低功耗。 但因它属于异质外延生长，在SOS膜中还有缺点：如由于硅和蓝宝石热膨胀系数不同，在膜中产生压应变、高密度晶格缺陷、在Si膜和蓝宝石基体间存在着过渡区、有来自基体的Al自掺杂。这些缺点对薄膜性质的影响表现在：(1)热应变的影响 SOS膜的生长是在1000左右温度下进行。因室温下Si膜和蓝宝石基体的热膨胀系数不同，在Si膜中产生压应力大约109dyn/cm2。由于压应力作用使Si膜导带能量发生变化，从而引起电导率发生变化。(2)结构缺陷和电导率 结构缺陷的多少会影响到薄膜电导率的不同。以位错这种结构缺陷为例，在 SOS膜中位错密度与膜厚d有关。膜厚增加位错减
11、少电导率变化(3)蓝宝石与Si膜的界面 在Si膜和蓝宝石基体之间存在一个厚度约为20-40nm的过渡区。在这个区域中存在有Al-Si-O化合物，与Si-SiO2界面一样，在Si膜与蓝宝石基体界面处Si的禁带中央区域，界面能级密度较小。在半导体器件中这种界面能级是形成漏电流的一个原因。但蓝宝石基体中的Al自动掺杂作用对Si膜电导率影响不太大。3.族化合物半导体薄膜利用化学气相沉积(CVD)法可在各种基体上制造出单晶薄膜。 如可以在GaAs等基体上进行异质外延生长并制备出低电阻率的N型单晶薄膜ZnSe和CdS ，P型单晶薄膜ZnTe。 这就克服了一般用 族化合物半导体难于制造两种导电类型(P型和N
12、型)半导体的困难(CdTe除外)。有效地利用薄膜具有禁带宽度大和直接转换导电类型等特点，来制造太阳能电池、发光和光接收器件。 另外利用MOCVD或者MBE方法也可制造出低电阻率薄膜。4.族化合物半导体薄膜 这类薄膜可用气相外延或液相外延法制造。 气相外延生长的GaAs薄膜中，载流子密度大约为1013cm3左右。 在液相外延薄膜中的位错密度与基体位错密度有直接关系。用控制蒸气压温差法可有效降低基体的位错密度。在最适宜的蒸气压条件下位错密度可以控制到少于100个/ cm2位错。从而改善外延膜的电学性质。 多晶是具有某种尺寸分布的单晶颗粒的集合体。这些晶粒没有一定的结晶方向。在每个晶粒内部有规则顺序
13、排列的原子但没有晶格缺陷。在晶粒间界处有显著的晶格混乱失配。 在单晶中，晶体的性质主要取决于位错密度和杂质浓度。但在多晶中由于晶粒尺寸分布和择优取向等因素影响，其物理性质千差万别。 半导体多晶薄膜的电学性质在很大程度上受晶粒尺寸、晶粒间界及晶粒间界处缺陷密度的影响 非晶半导体薄膜根据元素化学性质和组合情况分为两种类型：硫硒碲系和四面体系。1）硫硒碲系中都含有二配位的S、Se和Te原子并且组成一维或二维网络。彼此之间依靠范德华力联结成分子性较强的固体。2）四面体系是靠原子间强方向性正四体配位的共价键结合而形成三维的坚固网格状固体。1）硫硒碲系非晶半导体薄膜 用真空蒸发或阴极溅射等气相沉积法或液相
14、沉积法制备。 与单晶半导体材料相类似，它具有电子传输性能、激活型导电、大的热电势及较高的光导性能。 2）四面体系非晶半导体薄膜 典型代表是：非晶硅膜a-Si。 当膜厚d非常薄时，其电导率：式中 0是电子跃迁平均距离；N(Ef)是电子状态密度； k是玻耳兹曼常数； Ef是费米能级；是能量为Ef时电子波函数的衰减常数；B是常数 。 这类半导体薄膜中，应用较广泛的是SnO2、In2O3和Cd2SnO4等半导体薄膜。它们都是透明导电薄膜，在电学和光学方面的应用实例在下表中给出。在电气应用时对普通透光性和导电性都有较高的要求。在光学应用时要求对可见光和红外线有较好的选择反射特性。9.5 其他新型薄膜及性质超导薄膜 超导体：在一定的临界温度Tc下，电阻值突然变为0，表现出完全导电体，完全抗磁体，量子凝缩效应以及约瑟夫逊效应。超导薄膜可以用真空蒸发或者阴极溅射方法制造。当膜厚d与相干性长度接近时会出现临界温度Tc下降和临界磁场增大的形状效应。根据材料不用，可以分为过渡族元素、非过渡族元素、化合物和氧化物四种超到薄膜。磁性薄膜用途：磁记录和信息存储材料分类：单晶型磁性薄膜非晶形磁性薄膜 氧化物磁性薄膜 金刚石薄膜制备方法：1）在高温高压下合成 2）在低压和温度不太高的条件下合成（目前国内一般采用0.01-0.5大气压，700-900下用化学气相沉淀合成。谢谢
