第八章幾種重要的微電子器件

第八章幾種重要的微電子器件主要內(nèi)容薄膜晶體管（TFT）光電器件（LED，LD）電荷耦合器件（CCD）8.0薄膜晶體管薄膜晶體管(ThinFilmTransistor，TFT)

通常是指利用半導(dǎo)體薄膜材料制成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管非晶硅薄膜晶體管(a-SiTFT)多晶硅薄膜晶體管(poly-SiTFT)碳化硅薄膜晶體管(SiCTFT)1.TFT的結(jié)構(gòu)1）立體結(jié)構(gòu)型（底柵結(jié)構(gòu)型）2）平面結(jié)構(gòu)型（頂柵結(jié)構(gòu)型）2.TFT的應(yīng)用領(lǐng)域1）大面積平板顯示──有源矩陣液晶顯示(ActiveMatrixLiquidCrystalDisplay,縮寫(xiě)為AMLCD)2）電可擦除只讀存儲(chǔ)器(ROM)3）靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)4）線陣或面陣型圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路3.液晶顯示器1）驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低、體積小、重量輕、無(wú)X射線輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)2）為了降低串?dāng)_，提高掃描線數(shù)，在每個(gè)像素上配置一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，形成有源矩陣液晶顯示，消除了像素間的交叉串?dāng)_TFT有源矩陣的結(jié)構(gòu)襯底：硅片、石英、玻璃為了降低成本，TFT采用廉價(jià)的襯底：玻璃玻璃的軟化點(diǎn)低于600℃，需PECVD等低溫沉積方法8.1光電子器件光電子器件：光子擔(dān)任主要角色的電子器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，縮寫(xiě)LED)半導(dǎo)體激光器（LaserDiode,縮寫(xiě)LD）太陽(yáng)能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電探測(cè)器：利用電子學(xué)方法檢測(cè)光信號(hào)8.1固體中的光吸收和光發(fā)射Eg＝1.24/λ（eV）λ：波長(zhǎng)，單位μmEg：禁帶寬度，單位eV輻射躍遷和光吸收：

在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過(guò)程：吸收、自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射圖8.1兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射圖8.2半導(dǎo)體中的光吸收過(guò)程本征吸收：從價(jià)帶到導(dǎo)帶。如（a）、（b）非本征吸收：如（c）本征吸收的特點(diǎn)是吸收系數(shù)高：105～106cm－18.1.1固體中的光吸收過(guò)程8.1.2固體中的光發(fā)射過(guò)程圖8.1兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射激發(fā)過(guò)程：（a）發(fā)射過(guò)程：（b）、（c）（b）：自發(fā)輻射（c）：受激發(fā)射自發(fā)發(fā)射的種類：

1）光致發(fā)光；2）陰極射線發(fā)光；3）放射線發(fā)光；4）電致發(fā)光帶間躍遷：a導(dǎo)帶底至價(jià)帶頂?shù)能S遷非本征躍遷：c、d、e；帶內(nèi)電子躍遷：f輻射效率（內(nèi)量子效率）：

ηr＝單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)/單位時(shí)間內(nèi)注入的非平衡載流子數(shù)Eg＝hν＝

1.24/λ（eV）直接帶隙的發(fā)光效率比間接帶隙高發(fā)光器件發(fā)光二極管（LED）：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光半導(dǎo)體激光器（LD）：在外界誘發(fā)的作用下，促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)8.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體電致發(fā)光有著悠久的歷史1907年觀察到電流通過(guò)硅檢波器時(shí)發(fā)黃光現(xiàn)象1923年在碳化硅檢波器中觀察到類似的現(xiàn)象1955年觀察到III-V族化合物中的輻射1961年觀察到磷化鎵pn結(jié)的發(fā)光60年代初期GaAs晶體制備技術(shù)的顯著發(fā)展1962年制成GaAs發(fā)光二極管和GaAs半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)的發(fā)展對(duì)結(jié)型發(fā)光器件性能的提高也起了很大的推進(jìn)作用擴(kuò)散電流：（1）

包括電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流空間電荷區(qū)復(fù)合電流：（2）

通常w＜＜Ln、Lp，所以耗盡區(qū)兩側(cè)Ln、Lp長(zhǎng)度內(nèi)的擴(kuò)散電流是導(dǎo)致二極管輻射復(fù)合的主要電流。外量子效率：從半導(dǎo)體中實(shí)際發(fā)射出的光子數(shù)占產(chǎn)生的總光子數(shù)的比例。GaAs的內(nèi)量子效率可達(dá)50％，而外量子效率僅1％左右。InGaN藍(lán)色LED結(jié)構(gòu)圖超高亮度LED的制法和特性注：

1.LPE（DH）液相外延（雙異質(zhì)結(jié)）2.LPMOCVD低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積3.TFMOCVD雙氣流金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積8.3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：通過(guò)施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電子空穴對(duì)，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受激發(fā)射的電流密度閾值8.4光電探測(cè)器光電探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件熱探測(cè)器光子探測(cè)器熱探測(cè)器：利用探測(cè)元吸收入射光(通常是紅外光)產(chǎn)生熱量，引起溫度上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量

其中最常用的是電阻溫度效應(yīng)（熱電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶，熱電堆）和熱釋電效應(yīng)。熱探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程：探測(cè)器吸收光輻射引起溫度上升利用探測(cè)器的某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量光子探測(cè)器：利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光子探測(cè)器的三個(gè)基本過(guò)程：光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子載流子在半導(dǎo)體中輸運(yùn)并被某種電流增益機(jī)構(gòu)倍增產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號(hào)，從而完成對(duì)光子的探測(cè)8.4.2光電導(dǎo)探測(cè)器光敏電阻：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成紫外光：硫化鎘（CdS）硒化鎘（CdSe）可見(jiàn)光：硫化鉈（TIS）硫化鎘（CdS）紅外光：硫化鉛（PbS）銻化銦（InSb）碲鎘汞（HgCdTe）碲錫鉛（PbSnTe）8.4.3光電二極管1.PIN光電二極管

光電二極管實(shí)際上就是一個(gè)工作在反向偏置條件下的pn結(jié)，p-i-n光電二極管是最常用的光電探測(cè)器件I區(qū)：摻雜極輕的半導(dǎo)體，近似于本征半導(dǎo)體。增加耗盡區(qū)寬度，提高光電探測(cè)器的靈敏度。2.雪崩光電二極管：在高的反向偏壓下，借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)(即雪崩倍增效應(yīng))的一種高速光電器件

避免二極管擊穿是設(shè)計(jì)和制備雪崩光電二極管的關(guān)鍵8.4.5CCD器件電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱CCD)：70年代初由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的一種新型半導(dǎo)體器件CCD器件不同于其他器件的突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)，即信息用電荷量(稱為電荷包)代表，而其他器件則都是以電壓或電流作為信號(hào)的CCD器件的應(yīng)用廣泛用于影像傳感、數(shù)字存儲(chǔ)和信息處理等三個(gè)領(lǐng)域，其中最重要的應(yīng)用是作為固態(tài)攝像器件，其次是作為存儲(chǔ)器件

新型可再生能源特別是太陽(yáng)能，作為環(huán)保、可再生以及使用安全等優(yōu)勢(shì)將逐漸成為未來(lái)能源最主要的組成部分。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的最佳方式之一。8.5半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池光伏發(fā)電有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）充分的清潔性；（2）絕對(duì)的安全性；（3）相對(duì)的廣泛性；（4）確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性；（5）初步的實(shí)用性；（6）資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等。吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它是半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的兩個(gè)基本條件：半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量h大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)光照下P-N結(jié)光電效應(yīng)：影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽(yáng)光的反射、pn結(jié)漏電流和寄生串聯(lián)電阻等1、體單晶硅太陽(yáng)能電池制備工藝太陽(yáng)能電池組件

組件線又叫封裝線，封裝是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒(méi)有好的封裝工藝，再好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。

1、電池檢測(cè)；2、正面焊接及檢驗(yàn)；3、背面串接及檢驗(yàn)；4、敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)）；5、層壓；6、去毛邊（去邊、清洗）；7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）；8、焊接接線盒；9、高壓測(cè)試；10、組件測(cè)試及外觀檢驗(yàn)；11、包裝入庫(kù)敷設(shè)層次：玻璃、EVA、電池、EVA、TPT背膜

2、體多晶硅太陽(yáng)能電池制備工藝AM:大氣質(zhì)量AM=p/p0sinθP0=1.013bar序號(hào)公司名稱產(chǎn)量1無(wú)錫尚德327.02保定英利142.53河北晶奧113.24江蘇林陽(yáng)88.05南京中電78.06蘇州阿特斯55.07寧波太陽(yáng)能45.08常州天合光能37.09江蘇浚鑫35.010常州億晶30.0序號(hào)公司名稱產(chǎn)量11交大泰陽(yáng)25.012無(wú)錫尚品17.013深圳拓日10.0(a-Si:8)14上海超日10.015上海太陽(yáng)能科技8.016浙江向日葵光能8.017云南田達(dá)7.018杉杉尤利卡7.019北京中輕7.020深圳珈偉5.0其他公司產(chǎn)量：33.3（a-Si:20.3）合計(jì)：1088.0（a-Si:28.3）2007年產(chǎn)量大于20MWp的有35家公司，大陸及臺(tái)灣占14家。2007年我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量（MWp/年）國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)量（MWp）比例（％）中國(guó)（ML）1088.027.2日本920.023.0德國(guó)810.020.25中國(guó)（TW）368.09.2美國(guó)266.16.65歐洲其他252.86.32世界其他295.157.38合計(jì)4000.051002007年不同國(guó)家和地區(qū)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量及份額2007年不同國(guó)家和地區(qū)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)及份額國(guó)家和地區(qū)安裝量（MWp）份額（％）排序德國(guó)132846.991西班牙64022.652日本2308.143美國(guó)2207.184意大利200.715中國(guó)200.716韓國(guó)200.717法國(guó)150.538世界其他33311.78－總計(jì)2826100－深圳國(guó)際園林花卉博覽園1MWp并網(wǎng)光伏系統(tǒng)北京奧運(yùn)國(guó)家體育館100KWp并網(wǎng)光伏系統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)西藏羊八井100kWp光伏高壓并網(wǎng)電站2004年各種電池技術(shù)的市場(chǎng)份額晶體硅電池走向大規(guī)模應(yīng)用需要解決兩大難題

提高光電轉(zhuǎn)換效率降低生產(chǎn)成本

降低生產(chǎn)成本必須從材料入手。其關(guān)鍵是減少所用硅片的厚度，從而降低硅材料的消耗。

模擬表明，硅片厚度可降至幾個(gè)到幾十個(gè)微米，但此時(shí)薄膜厚度不能再自我支撐，需合適的襯底來(lái)支撐薄膜。

薄膜可通過(guò)各種方法沉積到低成本襯底上。這樣不僅降低了硅材料的消耗，還可避免晶化和切割等成本以及硅材料的損失。由此制作的晶體硅薄膜電池被看作是光伏第二代，被認(rèn)為是未來(lái)光伏電池的主流產(chǎn)品。3、硅薄膜太陽(yáng)能電池薄膜電池的特點(diǎn)還表現(xiàn)為：由長(zhǎng)光子產(chǎn)生的載流子在薄膜電池中容易在復(fù)合前收集到，可增大短路電流；如果忽略表面復(fù)合，由于薄膜電池中體復(fù)合遠(yuǎn)小于晶硅電池，從而降低了飽和暗電流，因此薄膜電池可具有較高的開(kāi)路電壓和填充因子，從而具有較高的電池轉(zhuǎn)換效率。

非晶硅(a-Si)屬直接轉(zhuǎn)換型半導(dǎo)體，具有光的吸收率較大，較容易制造厚度小于0.5微米、面積大于1平方米的薄膜，且易于制造對(duì)近紅外光高吸收的非晶硅鍺(a-SiGe)疊層光電池等諸多優(yōu)點(diǎn)，但非晶硅薄膜電池穩(wěn)定性差，在受到長(zhǎng)時(shí)間光照后，光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)的性能均有所降低，從而影響了它的迅速發(fā)展。多晶硅薄膜電池既具有晶體硅電池的高效、穩(wěn)定、無(wú)毒和資源豐富的優(yōu)勢(shì)，又具有薄膜電池工藝簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、材料節(jié)省、成本大幅度降低以及光譜響應(yīng)范圍廣、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。從而為人們廣為研究。晶體硅薄膜電池目前主要集中于實(shí)驗(yàn)室研究。1997年召開(kāi)的第26屆IEEEPVSC、第14屆歐洲光伏科學(xué)與工程大會(huì)（PVSEC）和世界太陽(yáng)能大會(huì)報(bào)道：

美國(guó)聯(lián)合太陽(yáng)能系統(tǒng)公司（UnitedSolarSystem）薄膜硅太陽(yáng)電池,轉(zhuǎn)換效率為16.6%

日本的Hanebo為9.8%

美國(guó)國(guó)家再生能源研究所（NREL）提供的測(cè)試結(jié)果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池,面積為903cm2，其轉(zhuǎn)換效率為10.2%，功率為912W。

2004年日本三洋電機(jī)報(bào)道的a-Si/μ-Si電池（厚度僅為2μm）效率為12.6％目前德國(guó)佛萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所（ISE）的以顆粒帶硅為襯底制備的薄膜電池效率為11.2％。多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)統(tǒng)計(jì)，已有不少關(guān)于多晶硅薄膜制備技術(shù)的報(bào)道,如固相再結(jié)晶法，激光結(jié)晶法和金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法等。這些技術(shù)中有些要求很高的生長(zhǎng)溫度，有些需要昂貴的設(shè)備且難于大面積制備，而有些工藝又較為復(fù)雜，這勢(shì)必阻礙太陽(yáng)能電池的推廣使用。近年來(lái)隨著太陽(yáng)能電池的迅速發(fā)展和需求，促進(jìn)人們?nèi)ド钊胙芯慷嗑Ч璞∧さ母鞣N制備工藝，尋求在低廉的襯底材料上低溫(≤600℃)沉積多晶硅(poly－Si)薄膜。然而大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)在低溫條件下，很難用SiH4

氣體在一般的襯底材料上直接沉積到多晶硅薄膜。多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀多晶硅薄膜電池發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)晶體硅薄膜電池的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。1982年長(zhǎng)春應(yīng)化所韓桂林等用CVD法制備出晶體硅薄膜電池，并研究了多晶硅薄膜的生長(zhǎng)規(guī)律和其基本的物理特性。1998年北京市太陽(yáng)能研究所趙玉文等報(bào)道了SiH2Cl2為氣源,采用快速熱化學(xué)氣相沉積(RTCVD)工藝沉積生成多晶硅