Zn在III-V族半導(dǎo)體中的擴(kuò)散

1、小組成員：曹蕓 黃昊光 華健 李夢俏 李思成 姜楠主講人： 姜楠一、背景介紹二、 Zn在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法三、擴(kuò)散機(jī)理簡介四、Zn在III-V族半導(dǎo)體中的擴(kuò)散研究的分析手段五、銻化鎵紅外電池制備工藝的研究目錄擴(kuò)散法摻雜擴(kuò)散法摻雜Zn的優(yōu)勢的優(yōu)勢： 重要的P型摻雜物質(zhì)，具有雙重擴(kuò)散前沿的kink-and-tail與單擴(kuò)散前沿的box類型擴(kuò)散曲線12為什么摻雜為什么摻雜： 將可控制數(shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)以改變半導(dǎo)體的電特性擴(kuò)散離子注入背景介紹背景介紹Zn原子在N型襯底中的摻雜濃度分布器件的性能準(zhǔn)確預(yù)測在不同的擴(kuò)散溫度與時間下Zn濃度曲線形貌、影響、需要 ZnZn擴(kuò)散理論的研究價

2、值擴(kuò)散理論的研究價值Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法1.準(zhǔn)密封式擴(kuò)散法1固定螺絲,2石墨頂蓋,3石墨盒,4支撐框架,5III-V族化合物半導(dǎo)體晶片,6石墨制成的晶片支撐板,7鉆有圓孔的石墨網(wǎng),8擴(kuò)散源 Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法 Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法 Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法保護(hù)氣抽真空2.密封式擴(kuò)散法Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法Zn在在III-V族半導(dǎo)體中

3、擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法保護(hù)氣抽真空 Zn在在III-V族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法族半導(dǎo)體中擴(kuò)散研究的實(shí)驗(yàn)方法擴(kuò)散機(jī)理簡介擴(kuò)散機(jī)理簡介通過質(zhì)量作用定律,并且考慮到最終擴(kuò)散樣品中填隙態(tài)Zn濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于替位態(tài)Zn濃度,那么由上述兩個方程描述的擴(kuò)散過程中擴(kuò)散率可通過下式粗略計(jì)算擴(kuò)散機(jī)理簡介 Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系 光致發(fā)光建立擴(kuò)散方程，擬合擴(kuò)散參數(shù)檢驗(yàn)擬合參數(shù)Zn在III-V族半導(dǎo)體中的擴(kuò)散研究的分析手段12344.1Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系將菲克第二擴(kuò)散定律中將菲克第二擴(kuò)散定律中 和和 采用采用表示表

4、示式中D表示擴(kuò)散率，C表示雜質(zhì)濃度將表達(dá)式 作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，得到帶入菲克擴(kuò)散定律式中，得到4.1Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系對于半無限厚系統(tǒng)中的擴(kuò)散,設(shè)定擴(kuò)散邊界處x=0,其初始條件(t=0時)為當(dāng)采用來表示上述初始條件時,可表示為4.1Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系當(dāng)?shù)娜≈凳沟脻舛菴1位于0和C之間時，可將*式對C進(jìn)行積分,由于擴(kuò)散時間t為常數(shù),因此可以將X和t代替代入上式，并且考慮到在C=0時， 于是得到4.1Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系從中可得到擴(kuò)散曲線中濃度C=C1時,擴(kuò)散率D的大小由此，可以

5、計(jì)算任意形貌擴(kuò)散曲線中某確定濃度值C1時擴(kuò)散率D的大小4.1Boltzmann-Matan方法計(jì)算雜質(zhì)擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系dx/dC為濃度為C1處擴(kuò)散曲線的切線斜率值的倒數(shù),而 為擴(kuò)散曲線、C= C1時的水平線、以及橫縱坐標(biāo)圍起來的面積值,其值等于圖中條狀面積大小Zn原子無論是通過dissociative還是kick-out機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散,其擴(kuò)散率D與濃度C之間的關(guān)系總是確定的,這個關(guān)系決定于III族原子處空位的價態(tài)r或者處于填隙態(tài)的III族原子價態(tài)k。Boltzmann-Matano方法的作用就在于確定出r或k的具體數(shù)值。2、GaSb紅外電池研究紅外電池研究背景背景GaSb紅外電池是目前熱光伏發(fā)

6、電系統(tǒng)中最常用的光電轉(zhuǎn)換器件，每年發(fā)表在國際能源類期刊上的熱光伏發(fā)電技術(shù)的論文中,90%以上都釆用GaSb電池作為光電轉(zhuǎn)換器件。除了應(yīng)用于熱光伏發(fā)電系統(tǒng),GaSb電池在近紅外波段具有較高光譜響應(yīng)度,可與近紅外波段激光器組成無線輸電系統(tǒng)在無人偵察機(jī)、心臟起搏器的無線輸電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。1、紅外電池簡介、紅外電池簡介紅外電池是光電池的一種，其通過吸收紅外波段的電磁波產(chǎn)生電能。主要用于熱輻射回收、提高可見光太陽能電池的效率。而太陽光譜中的一大部分為紅外線，低溫?zé)嵩匆矔椛浯罅考t外線。紅外電池的作用就是收集這一部分能量。銻化鎵銻化鎵紅外電池制備工藝的研究紅外電池制備工藝的研究銻化鎵銻化鎵紅外電池

7、的傳統(tǒng)制備工藝流程紅外電池的傳統(tǒng)制備工藝流程準(zhǔn)密封式單步鋅擴(kuò)散法優(yōu)缺點(diǎn)分析：單步鋅擴(kuò)散法制備GaSb電池成本較低,但是由于腐燭重?fù)诫s層 的過程非常難以控制,不利于批量生產(chǎn),而從限制了其大規(guī)模推廣兩步鋅擴(kuò)散法優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析：解決了單步擴(kuò)散法制備電池過程中腐燭重?fù)诫s層難以控制的問題，該方法制備出的電池表面受光區(qū)域?yàn)闇\擴(kuò)散，而電極以下區(qū)域?yàn)樯顢U(kuò)散，這樣分成兩步進(jìn)行擴(kuò)散的方式可有效增強(qiáng)電池的光譜響應(yīng)度。但是此類工藝中增加了一步擴(kuò)散與光刻工藝，制備成本增加。金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）生長法優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)缺點(diǎn)分析：避免擴(kuò)散過程中產(chǎn)生表面重?fù)诫s層的問題。外延生長法可制備高效率的GaSb紅外電池。由于

8、外延生長法所需要的外延生長設(shè)備非常昂貴,并且用于生長薄膜的原材料三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋪(TMSb)、二甲基鋅(DMZn)等成本都較高，因此雖然采用外延法制備出的GaSb電池效率高,但是由于制備成本的限制,一直沒有得到中大規(guī)模的生產(chǎn)。4 4、鋅擴(kuò)散法制備銻化鎵電池的優(yōu)化方法、鋅擴(kuò)散法制備銻化鎵電池的優(yōu)化方法 傳統(tǒng)制備方法中擴(kuò)散后生成的是kink-and-tail類型曲線，需要采用腐燭液逐漸去除高濃度擴(kuò)散層，并在每次腐燭步驟后進(jìn)行測試，直到達(dá)到最優(yōu)輸出功率為止。擴(kuò)散源中Ga原子的存在可以抑制Zn在GaSb表面高濃度層的產(chǎn)生，生成單擴(kuò)散前沿的box類型曲線。由于在相同擴(kuò)散溫度和時間下，box曲線形貌正好與kink-and-tail曲線中點(diǎn)之后的尾部區(qū)域完全重合，因此可利用這一現(xiàn)象，對單步鋅擴(kuò)散法制備GaSb電池工藝做出改進(jìn)，簡化電極制備后繁瑣的腐蝕工藝。傳統(tǒng)工藝的繁瑣性繁瑣性以及低電池效率！低電池