半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試課件

半導(dǎo)體薄膜的制備實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試Tel: Fax:E-mail:許小亮徐軍劉洪圖1半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)的宗旨按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)普遍性、難易程度與學(xué)生知識(shí)水平相適應(yīng)分為四級(jí)實(shí)驗(yàn)一級(jí)實(shí)驗(yàn)：基本操作與測(cè)量，普及型二、三級(jí)實(shí)驗(yàn)：逐步增加綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例及難度，由教師安排，過渡到學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自己準(zhǔn)備儀器完成實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)綜合思維和創(chuàng)造能力。四級(jí)實(shí)驗(yàn)以科研實(shí)踐為主題，以科學(xué)研究的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立科研的能力。2半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試達(dá)到以上要求的難點(diǎn)

（對(duì)三、四級(jí)實(shí)驗(yàn)而言）（1）三、四級(jí)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是理科和物理類學(xué)生，有幾百人參加。設(shè)備和師資有限，可能帶來如下問題：設(shè)備總量將嚴(yán)重不足實(shí)驗(yàn)周期大大拉長，指導(dǎo)教師工作量大大增加（2）由于增加了具有時(shí)代性和先進(jìn)性的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)，引入了一些大型或高精尖設(shè)備，不可能讓每人得到充分的操作訓(xùn)練，可能帶來如下問題：實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，操作受限；操作規(guī)程過于規(guī)范，束縛思維實(shí)驗(yàn)先進(jìn)，大大超前理論：知其然不知其所以然實(shí)驗(yàn)標(biāo)題及方法固定，實(shí)際上就難以切入真正的科研3半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試下是計(jì)算機(jī)部分演示一、ZnO透明導(dǎo)電薄膜和金屬電極的制備(1)預(yù)備知識(shí)：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性（為沒有學(xué)過“固體物理”的學(xué)生準(zhǔn)備,另有演示,此處從略）半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),晶格、晶向、晶面和它們的標(biāo)志,半導(dǎo)體的幾種常見結(jié)構(gòu)（金剛石型結(jié)構(gòu)，閃鋅礦、纖鋅礦結(jié)構(gòu)，氯化鈉結(jié)構(gòu)）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶:原子的能級(jí)和晶體的能帶（導(dǎo)帶，禁帶和價(jià)帶）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)，間隙位與替位位，施主與受主，補(bǔ)償，n型與p型半導(dǎo)體，缺陷與位錯(cuò)，半導(dǎo)體中的摻雜ZnO薄膜的制備5半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試透明導(dǎo)電ZnO薄膜及

金屬電極的制備演示

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系薄膜制備及性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室6半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹三.金屬電極制備

四.磁控濺射制備ZnO薄膜五.相關(guān)準(zhǔn)備工作----化學(xué)清洗和靶材制備

二.ZnO薄膜的基本性質(zhì)一.薄膜材料簡介7半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試二、ZnO薄膜的基本性質(zhì)

幾種寬禁帶半導(dǎo)體基本性質(zhì)比較

9半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試

1、真空蒸發(fā)原理：真空條件下---蒸發(fā)源材料加熱---脫離材料表面束縛---原子分子作直線運(yùn)動(dòng)----遇到待沉積基片---沉積成膜。

2、真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（1）真空鍍膜室（2）真空抽氣系統(tǒng)（3）真空測(cè)量系統(tǒng)

三、真空蒸發(fā)制備金屬電極10半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試旋片泵結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖11半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖13半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試熱偶規(guī)工作原理：一對(duì)熱電偶A、B與一對(duì)加熱鎢絲焊接在一起，在電流恒定不變時(shí)，熱絲溫度取決于管內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率K，K正比于分子平均自由程和氣體濃度.在-1托至-4托范圍內(nèi),隨著真空度的提高,電偶電動(dòng)勢(shì)也增加,因而可由熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化來表示管內(nèi)氣體的壓強(qiáng).(需要注意的是,當(dāng)真空度更高時(shí),由于熱傳導(dǎo)非常小,電偶電動(dòng)勢(shì)變化不明顯時(shí),就需要改用其它方法測(cè)量了)真空測(cè)量系統(tǒng)----熱偶規(guī)14半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試熱陰極電離規(guī)工作原理:從發(fā)射極F發(fā)射出電子,經(jīng)過柵極G使電子加速,加速電子打中管內(nèi)氣體分子時(shí),使氣體分子電離,正離子被收集極C吸收,收集極電路中的微安表記錄正離子流Ii的變化,而電子流在柵極附近作若干次振蕩后被柵極吸收,由柵極電路中的毫安表記錄電子流Ie.需要注意的是:真空度低于-3托時(shí)不能用電離規(guī)直接測(cè)量,原因是在低真空條件下,加熱的燈絲容易氧化而燒斷.真空測(cè)量系統(tǒng)----熱陰極電離規(guī)15半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試濺射原理：

所謂濺射，就是向高真空系統(tǒng)內(nèi)加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下電離而產(chǎn)生輝光放電。氣體電離后產(chǎn)生的帶正電荷的離子受電場(chǎng)加速而形成為等離子流，它們撞擊到設(shè)置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子形式與反應(yīng)氣體分子形成化合物的形式沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）四、磁控濺射法制備透明導(dǎo)電ZnO薄膜17半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試磁控射頻濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試磁控射頻濺射工作原理

洛侖茲力：F=q(E+vB)19半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試

1、靶材概述

2、靶材技術(shù)要求

3、靶材制備方法5、制靶工藝4、制靶工具---粉末壓靶機(jī)6、靶材與底座的連接實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作二：靶材制備21半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試實(shí)驗(yàn)思考題1、簡述真空蒸發(fā)的原理及工藝過程；2、真空蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中鎢絲和基片的清潔處理；5、簡述分子泵工作原理及使用注意事項(xiàng)；6、簡述磁控濺射工作原理；3、簡述熱電偶規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；4、簡述熱陰極電離規(guī)工作原理及使用注意事項(xiàng)；7、簡述在濺射過程中所通氣體的作用；8、簡述在濺射過程中濺射功率的調(diào)節(jié)及注意事項(xiàng)；9、簡述化學(xué)清洗的方法及一般程序；10、簡述靶材的技術(shù)要求及制備工藝過程。22半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試場(chǎng)景對(duì)話：實(shí)驗(yàn)過程的一般描述及問答

(多數(shù)未列入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和計(jì)算機(jī)演示中）

描述一：打開裝置說明各部分的用途 問物理原理，請(qǐng)自己總結(jié)問題描述二：調(diào)節(jié)儀器說明其作用 請(qǐng)紀(jì)錄和自己總結(jié)問題描述三：提示學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 請(qǐng)紀(jì)錄和自己總結(jié)問題以上三部分的描述必須體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。23半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試B、ZnO薄膜的制備1、為何要用分子泵—機(jī)械泵兩級(jí)真空系統(tǒng)？2、分子泵的工作原理？它與擴(kuò)散泵的差別？3、磁控濺射原理及問題（1）直流磁控與射頻磁控濺射的差別（2）磁控濺射中磁場(chǎng)與電場(chǎng)的共同作用下帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方式

25半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試描述二：A、金屬電極的制備：注意真空蒸發(fā)調(diào)節(jié)中的細(xì)節(jié)1、真空泵及測(cè)量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物，密封圈有無縱向劃痕？檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好？注意擴(kuò)散泵的開機(jī)時(shí)機(jī)，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥真空計(jì)測(cè)量時(shí)間的選擇2、加熱鎢絲蒸發(fā)源時(shí)的注意事項(xiàng)開啟蒸發(fā)源前為何要關(guān)閉真空計(jì)？蒸發(fā)電流為何要慢慢增加？26半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試BZnO薄膜的制備1、真空泵及測(cè)量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好注意分子泵的開機(jī)時(shí)機(jī)，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥2、氣體流量的設(shè)定根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定濺射氣體與反應(yīng)氣體及其質(zhì)量流量比,本實(shí)驗(yàn)中用氧化鋅粉末靶，為什麼還要加氧氣作為反應(yīng)氣體？3、實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)的設(shè)定濺射功率、forward與reflected功率比調(diào)節(jié)及其意義。27半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試描述三：A、金屬電極的制備：1、對(duì)真空現(xiàn)象的觀測(cè)及處理啟動(dòng)機(jī)械泵后持續(xù)有沸騰聲并排出大量白色煙霧，應(yīng)如何處理？關(guān)擴(kuò)散泵后為何要維持長時(shí)間的通水？在觀察熱偶規(guī)及電離規(guī)時(shí)，若指針來回?cái)[動(dòng)意味著真空系統(tǒng)有何問題，如何解決？有時(shí)電離規(guī)不能啟動(dòng)，但測(cè)量燈絲未斷，是否需要更換新的電離規(guī)？或檢查真空儀器是否損壞。29半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試2、熱蒸發(fā)注意事項(xiàng)用鋁絲掛在鎢絲制成的熱蒸發(fā)器上進(jìn)行加熱蒸發(fā)為何有時(shí)不能形成所需要的持久的液滴？解決方法是什麼？用高溫測(cè)量儀觀測(cè)熱絲溫度時(shí)為何需要潔凈的觀察窗？擋板打開的時(shí)機(jī)？在鍍膜結(jié)束時(shí)為何需等待蒸鍍金屬完全熔化干凈？B、ZnO薄膜的制備1、Forward與reflected功率之和為何與與電源輸出功率有一定差異？當(dāng)差異較大和指針擺動(dòng)時(shí)意味著將要采取何種措施？30半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試2、膜厚監(jiān)測(cè)中突然出現(xiàn)膜厚數(shù)值的迅速增加或“晶無效”時(shí)如何解決？為什麼需要在平時(shí)就測(cè)定各種濺射功率下的薄膜生長速率？3、當(dāng)用鋅金屬靶與氧氣進(jìn)行反應(yīng)濺射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)那些問題？有時(shí)靶片沸騰而迅速蒸發(fā)，同時(shí)壓強(qiáng)控制儀失靈的原因是什麼？4、在對(duì)真空室進(jìn)行通氣時(shí)為何要關(guān)閉分子泵？在分子泵減速時(shí)，將真空室與分子泵之間的真空閥微開有何作用？31半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：1.教員對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的印象（10%）；2.實(shí)驗(yàn)報(bào)告中是否體現(xiàn)了三個(gè)描述（70%）；3.是否能提出新的問題（10%）；4.是否有獨(dú)立思考和創(chuàng)新（10%）。32半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試如何切入科研實(shí)踐

1．時(shí)機(jī)的把握：(a)利用學(xué)期近結(jié)束時(shí)的開放時(shí)間安排，(b)啟發(fā)學(xué)生自己提出要求。2．教員確立一個(gè)方向和科研實(shí)踐所應(yīng)達(dá)到的水準(zhǔn)，安排學(xué)生討論和調(diào)研3．調(diào)研后由學(xué)生做實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告，論證后安排實(shí)驗(yàn)33半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試Si襯底表面氮化硅薄膜的生長

-----四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生設(shè)計(jì)

劉洋1劉錦濤1閆叢璽1劉科1徐季東1董磊1李強(qiáng)1張靜1朱軍1徐生年1許小亮2

1：安徽合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與應(yīng)用物理系00級(jí)

2：安徽合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系（指導(dǎo)教員）

34半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試教員指導(dǎo)下的學(xué)生討論與調(diào)研重要性：以硅為襯底生長ZnO基疊層薄膜是寬禁帶半導(dǎo)體光電器件的研究中非常重要的一環(huán)生長緩沖層的必要性迄今為止各種緩沖層的利與弊以某國外專利為藍(lán)本，討論SiNx緩沖層的優(yōu)點(diǎn)以及制作方法，專利上的制作方法為MBE法，建議同學(xué)調(diào)研并確立適應(yīng)于我們的濺射法的制備工藝35半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試緩沖層的作用最大限度地減少界面態(tài)

減少異質(zhì)襯底與薄膜間的應(yīng)力

提高薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)輸運(yùn)及發(fā)光效率

36半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試在生長緩沖層方面國際上通行的方法

1、SiO2薄層，Zn薄層和ZnO緩沖層

這些方法都存在一定的缺點(diǎn)，比如SiO2薄膜不夠平整，從而生長的ZnO也不夠平整，結(jié)晶度較差；在Zn緩沖層上再生長ZnO薄膜，緩沖層會(huì)部分氧化，呈現(xiàn)出非常高的n型導(dǎo)電性質(zhì)，不利于器件設(shè)計(jì)；低溫生長ZnO緩沖層同樣會(huì)在襯底和緩沖層中出現(xiàn)大量的缺陷和層錯(cuò)，效果仍不理想。2、氮化硅緩沖層

日本研究人員的方法是：將硅片置于MBE系統(tǒng)中，襯底保持600-700oC，在系統(tǒng)中通入0.6sccm的NH3,用射頻方法產(chǎn)生等離子體激發(fā)反應(yīng)生成氮化硅薄膜。同時(shí)他們還建議使用其它含氮的反應(yīng)氣體，比如N2，NO2等。37半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特殊性及教學(xué)嘗試日本研究人員方法的缺點(diǎn)

1、用的是MBE法生長ZnO及疊層材料，雖然技術(shù)先進(jìn)，但設(shè)備過于昂貴，對(duì)生長技術(shù)要求較高，難于推廣普及。2、用NH3作為反應(yīng)氣體生長氮化硅緩沖層也有缺點(diǎn)，在N2與Si反應(yīng)生成氮化硅的同時(shí)，也有大量的H進(jìn)入了Si襯底中形成Si:H和SiNx:[H]復(fù)合體，在這樣的緩沖層上再生長ZnO基薄膜時(shí)，由于有一定的溫度，這樣的復(fù)合體很容易鍵解。H擴(kuò)散入ZnO中，它具有較強(qiáng)的自補(bǔ)償作用，使受主鈍化，失去活性；3、其它含氮的氣體，如N2，因?yàn)殡x化能太高，所以生長的氮化硅薄膜中的N很可能是以分子形式存在，使薄膜吸附很多的N2雜質(zhì)，同時(shí)因?yàn)镹2分子