薄膜技術(shù)在光電子器件中的應(yīng)用

1、薄膜技術(shù)在光電子器件中的應(yīng)用【摘 要】本文介紹了在光 電子 器件制造中常用的幾種薄膜技術(shù)的原理以及各自的特點。 【關(guān)鍵詞】薄膜 原理 應(yīng)用 光電子器件 一、前言 近年來，國內(nèi)外正掀起“光電子學(xué)”和“光電子產(chǎn)業(yè)”的熱潮，光電子技術(shù)已經(jīng)在信息、能源、材料、航空航天、生命 科學(xué) 、環(huán) 【摘 要】本文介紹了在光 電子 器件制造中常用的幾種薄膜技術(shù)的原理以及各自的特點。 【關(guān)鍵詞】薄膜 原理 應(yīng)用 光電子器件 一、前言 近年來，國內(nèi)外正掀起“光電子學(xué)”和“光電子產(chǎn)業(yè)”的熱潮，光電子技術(shù)已經(jīng)在信息、能源、材料、航空航天、生命 科學(xué) 、環(huán)境科學(xué)和軍事國防等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。光電子學(xué)是從上世紀七十年代，

2、在光學(xué)、電子學(xué)及相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)上 發(fā)展 起來的一門科學(xué)，光電子器件的小型化、多樣化和性能的不斷提高是光電子技術(shù)發(fā)展的重要標志，在這個發(fā)展過程中，薄膜技術(shù)功不可沒。 本文由收集整理。當固體或液體的一維線性尺度遠遠小于他的其他二維尺度時，我們將這樣的固體或液體稱為膜。一般將厚度大于1m的膜稱為厚膜，厚度小于1m的膜稱為薄膜，當然，這種劃分具有一定的任意性。薄膜的研究和制備由來已久，但在早期，技術(shù)落后使得薄膜的反復(fù)性較差，其應(yīng)用受到限制，僅用于抗腐蝕和制作鏡面。自從制備薄膜的真空系統(tǒng)和各種表面分析技術(shù)有了長足的進步，以及其他先進工藝（如等離子體技術(shù)）的發(fā)展，薄膜的應(yīng)用開始了迅速的拓展?，F(xiàn)在，在光電子

3、器件中，薄膜的使用非常普遍，他們中大部分是化合物半導(dǎo)體材料，厚度低至納米級。 二、薄膜制備技術(shù) 薄膜制備方法多種多樣，總的說來可以分為兩種物理的和化學(xué)的。物理方法指在薄膜的制備過程中，原材料只發(fā)生物理的變化，而化學(xué)方法中，則要利用到一些化學(xué)反應(yīng)才能得到薄膜。 1.化學(xué)氣相淀積法(CVD) 現(xiàn)在光電子器件的制備中常用的化學(xué)方法主要有等離子體增強化學(xué)氣相淀積（PECVD）和金屬有機物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）。 化學(xué)氣相淀積是制備各種薄膜的常用方法，利用這一技術(shù)可以在各種基片上制備多種元素及化合物薄膜。傳統(tǒng)的化學(xué)氣相淀積一般需要在高溫下進行，高溫經(jīng)常會使基片受到損壞，而等離子體增強化學(xué)氣相淀積（P

4、ECVD）則能解決這一問題。等離子體的基本作用是促進化學(xué)反應(yīng)，等離子體中的電子的平均能量足以使大多數(shù)氣體電離或分解。用電子動能代替熱能，這就大大降低了薄膜制備環(huán)境的溫度，采用PECVD技術(shù)，一般在1000以下。利用PECVD技術(shù)可以制備SiO 2 、Si 3 N 4 、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介電和半導(dǎo)體膜，能夠滿足光電子器件的研發(fā)和制備對新型和優(yōu)質(zhì)材料的大量需求。 金屬有機物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）是利用有機金屬熱分解進行氣相外延生長的先進技術(shù)，現(xiàn)在主要用于化合物半導(dǎo)體的薄膜氣相生長，因此在以化合物半導(dǎo)體為主的光電子器件的制備中，他是一種常用的方法。利用MOCVD技術(shù)可以合成組分按

5、任意比例組成的人工合成材料，薄膜厚度可以精確控制到原子級，從而可以很方便的得到各種薄膜結(jié)構(gòu)型材料，如量子阱、超晶格等。這種技術(shù)使得量子阱結(jié)構(gòu)在激光器和LED等器件中得到廣泛的應(yīng)用，大大提高了器件性能。 2.物理氣相淀積（PVD） 化學(xué)反應(yīng)一般需要在高溫下進行，基片所處的環(huán)境溫度一般較高，這樣也就同時限制了基片材料的選取。相對于化學(xué)氣相淀積的這些局限性，物理氣相淀積（PVD）則顯示出其獨有的優(yōu)越性，他對淀積材料和基片材料均沒有限制。制備光 電子 器件的薄膜常用的PVD技術(shù)有蒸發(fā)冷凝法、濺射法和分子束外延。 蒸發(fā)冷凝法是薄膜制備中最為廣泛使用的一種技術(shù)，他是在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以

6、獲得蒸發(fā)所必需的蒸汽壓，在適當?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，實現(xiàn)薄膜沉積。蒸發(fā)冷凝法按加熱源的不同有可分為電阻加熱法、等離子體加熱法、高頻感應(yīng)法、激光加熱法和電子束加熱法，后兩種在光電子器件的制備中比較常用。 本文由收集整理。電子束加熱法是將高速電子束打到待蒸發(fā)材料上，電子的動能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，是材料蒸發(fā)。他的優(yōu)點是可以避免待蒸發(fā)材料與坩堝發(fā)生反應(yīng)，從而得到高純的薄膜材料。近年來人們又研制出具有磁聚焦和磁彎曲的電子束蒸發(fā)裝置，使用這樣的裝置，電子束可以被聚焦到位于基片之間的一個或多個支架中的待蒸發(fā)物上。 激光蒸發(fā)法是一種在高真空下制備薄膜的技術(shù)，激光作為熱源使待蒸鍍材料蒸發(fā)。激光源放置在真空

7、室外部，激光光束通過真空室窗口打到待蒸鍍材料上使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上。激光蒸發(fā)法具有超清潔、蒸發(fā)速度快、容易實現(xiàn)順序多元蒸發(fā)等優(yōu)點。后來人們使用脈沖激光，可使原材料在很高溫度下迅速加熱和冷卻，瞬間蒸發(fā)在靶的某一小區(qū)域得以實現(xiàn)。由于脈沖激光可產(chǎn)生高功率脈沖，完全可以創(chuàng)造瞬間蒸發(fā)的條件，因此脈沖激光蒸發(fā)法對于化合物材料的組元蒸發(fā)具有很大優(yōu)勢。使用激光蒸發(fā)法可以得到光學(xué)性質(zhì)較好的薄膜材料，包括ZnO和Ge膜等。 濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面（靶）使其中的原子或分子發(fā)射出來。這些被濺射出來的粒子帶有一定的動能，并具有方向性。將濺射出來的物質(zhì)沉積到基片上形成薄膜的方法成為濺射法，他也是物

8、理氣相淀積法的一種。濺射法又分直流濺射、離子濺射、射頻濺射和磁控濺射，現(xiàn)在用的比較多的是后兩種。在濺射靶上加有射頻電壓的濺射稱為射頻濺射，他是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射淀積方法。磁控濺射的原理是，濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速稱為高能電子，但他們并不直接飛向陰極，而是在電場和磁場的聯(lián)合作用下進行近似擺線的運動。在運動中高能電子不斷地與氣體分子發(fā)生碰撞，并向后者轉(zhuǎn)移能量，使之電離而本身成為低能電子。這些低能電子沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極而被吸收，從而避免了高能電子對基片的強烈轟擊，同時，電子要經(jīng)過大約上百米的飛行才能到達陽極，碰撞頻率大約為10 7 /s，因此磁控濺射的電離效率高。磁控濺射不僅可以得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時還可以避免二次電子轟擊而使基板保持接近冷態(tài)。 分子束外延（MBE）技術(shù)是一種可在原子尺度上精確控制外延厚度、摻雜和界面平整度的超薄層薄膜制備技術(shù)。所謂“外延”就是在一定的單晶材料襯底上，沿著襯底的某個指數(shù)晶面向外延伸生長一層單晶薄膜。分子束外延是在超高真空條件下，精確控制原材料的分子束強度，把分子束射入被加熱的底片上而進行外延生長的。由于其蒸發(fā)源、監(jiān)控系統(tǒng)和分析系統(tǒng)的高性能和真空環(huán)境的改善，能夠得到極高質(zhì)量的薄膜單晶體，可以說他是一種以真空蒸鍍?yōu)榛A(chǔ)的一種全新的薄膜生長方法。 三、結(jié)語 薄膜技術(shù)是研制新材料、新結(jié)