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1、第四章 半导体材料概述,第四章 半导体材料概述,4.1 半导体材料的晶体结构与分类4.2 元素半导体4.3 化合物半导体4.4 有机半导体4.5 非晶半导体4.6 精细结构半导体,1）半导体材料的分类,按功能和应用,微电子半导体,光电半导体,热电半导体,微波半导体,气敏半导体,4.1 半导体材料的晶体结构与分类,按组成,无机半导体,有机半导体,按结构,晶体,非晶、无定形半导体,多晶半导体,单晶半导体,元素半导体,化合物半导体,2）元素的电负性与原子的结合,电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共有电子偶的能力。其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。其一般规律为：价电子数相同的原子，电子壳层
2、越多，电负性越弱，电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。,同种元素结合：电负性小者倾向于按金属键结合（铜、银、金），电负性大者倾向于按共价键结合（金刚石、硅、锗）化合物结合：电负性差别较大的两种元素倾向于按离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于按共价键结合,电负性决定原子结合性质,晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。,3）半导体的晶体结构,晶胞参数,我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。构成晶胞的六面体的三个边长a、b、
3、c及三个夹角、称为晶胞参数。它们决定了晶胞的大小和形状。,立方 Cubic,四方 Tetragonal,正交 Rhombic,三方 Rhombohedral,六方 Hexagonal,单斜 Monoclinic,三斜 Triclinic,七大晶系,晶胞中质点的占有率,体心 面心 棱边 顶角,立方晶胞,体心：,1,面心：,1/2,棱边：,1/4,顶点：,1/8,晶胞中各质点的占有率,10928,金刚石结构,金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构成的立方点阵为金刚石结构8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子,闪锌矿结构,闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成的立方系晶体点阵称为闪
4、锌矿结构按ABCABC顺序堆垛,纤锌矿结构,纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型变体，具有六角对称性按ABAB顺序堆垛,半导体的晶体结构,硒结晶炭灰锡锗硅,4.2 元素半导体,周期表中半导体相关元素,1、硒,实际应用的最早半导体材料禁带较宽，大于1.7ev分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红硒、灰硒）主要用来制作光电池、摄像靶、整流器；硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等优点,2、结晶炭,1）金刚石金刚石薄膜具有禁带很宽、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和速度、低介电常数，适合制造高性能电力电子器件和高温电子学器件电阻率很高，但掺杂可使电阻率降低高热导率，可作切割工具
5、燃料对光的折射率高，吸收系数低，在光电子学领域存在潜在的应用价值,金刚石,2）C60,C60分子由五原环和六元环构成的炭笼分子结构常温常压下发生向金刚石转变的结构变相，为金刚石的人工合成提供了潜在的新途径金刚石薄膜CVD淀积前在衬底上涂一层C60对成核起明显促进作用,炭笼分子结构,3）碳纳米管（CNT）,碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米的中间空闭合管状物。螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米管为半导体，其余为导体替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有了希望,双壁碳纳米管纳机电系统用,3、灰锡,锡有两种同素异形体，灰锡和白锡灰锡：不稳定；
6、具有金刚石结构，立方晶系白锡：四方晶系窄禁带特征有可能用于远红外探测器方面,4、锗,1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium）以纪念他的祖国。Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子材料,锗的分布,锗在地壳中含量约为百万分之一，分布极为分散，常归于稀有元素；1.在煤和烟灰中；2.与金属硫化物共生；3.锗矿石,锗,锗的应用,属金刚石结构由于Ge的禁带较窄，器件稳定工作温度远不如硅器件高，加之资源有限，目前，Ge电子器件不到总
7、量的10%，主要转向红外光学等方面。,硅的分布氧化硅化学性质晶体结构能带结构 电学性质硅中的杂质硅的优点硅的用途,5、硅,硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们把它看成是不能再分的简单物质。大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石复杂组成的大门。,尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了活泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中分离出来的途径。1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.)用金属钾还原四氟化硅
8、或用金属钾与氟硅酸钾共热，首次制得较纯的粉状单质硅。1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯化物熔盐电解法制得晶体硅。,地壳中各元素的含量,硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3，在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。,硅的分布,硅的化学性质,原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。,14Si,32Ge,晶体硅,晶体硅为钢灰色，密度2.4 gcm3，熔点1420，沸点2355，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。,硅,化学性质稳定,常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应高温下，较活
9、泼,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4+2H2,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2,Si+O2 SiO2,氧化硅,水晶,玛瑙,石英坩埚,光导纤维,表面易纯化，形成本征二氧化硅层,二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用：1.对杂质扩散起掩蔽作用；2.对器件的表面保护和钝化作用 3.用于器件的绝缘隔离层 4.用作MOS器件的绝缘栅材料等,硅的晶体结构,10928,硅原子,SiO2四面体,氧原子,硅的能带结构,间接带隙结构,电学性质,本征载流子浓度 1.本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。2.温度一定，本征半导体中载流子的浓度是
10、一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。3.当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。,Si的本征载流子浓度,温度T=300 K，Eg=1.12 eV,电导率和电阻率,电导率电阻率,轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3,中度掺杂 掺杂浓度为10171019 cm-3,重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3,杂质离子100%电离,载流子浓度低于掺杂浓度,硅中的杂质,1.n型掺杂剂：P，As，Sb2.p型掺杂剂：B3.轻元素杂质：O，C，N，H4.过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni,O的危害
11、,热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；,C的危害,C会降低击穿电压，增加漏电流；C会促进氧沉淀和新施主的形成；C会抑制热施主的形成,H的作用,H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现；H在硅中形成H-O复合体H能促进氧的扩散和热施主的形成；H会钝化杂质和缺陷的电活性；H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能,过渡金属的危害,在硅中形成深能级中心或沉淀而影响器件的电学性能；减少少子扩散长度从而降低寿命；形成金属复合体，影响器件和材料的性能,硅材料的优点,资源丰富、易于提高到极纯的纯度较易生长出大直径无位错
12、单晶易于对进行可控n型和p型掺杂易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料,易于进行腐蚀加工带隙大小适中硅有相当好的力学性能硅本身是一种稳定的绿色材料,可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触容易截断或者解理硅晶体硅表面上很容易制备高质量的介电层SiO2,多晶硅的优点,多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器,多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜场效应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺兼容
13、等特点,非晶硅的优点,非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能、增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用,硅的用途,高纯的单晶硅是重要的半导体材料；金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；光导纤维通信，最新的现代通信手段；性能优异的硅有机化合物等,1）重要的半导体材料,硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件,太阳能电池,2）高温材料,金属陶瓷的重要材料：将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。,宇宙航行的重要材料 耐高温隔热层，航天飞机能抵挡住高速穿
14、行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。,3）光导纤维通信,用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。,4.3 化合物半导体,所有完全由IV元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带结构均为间接跃迁型；晶体结构为闪锌矿结构的IIIV族化合物以GaAs为界，平均原子序数比GaAs小的是间接跃迁型，其余均为直接跃迁型；IIVI族化合物全为直接跃迁型。,IIIV族化合物半导体材料IIVI族化合物半导体
15、材料IV VI族化合物半导体材料IV IV族化合物半导体材料其它化合物半导体材料,常见的III-V化合物半导体,一、GaAS,能带结构物理性质化学性质电学性质光学性质,GaAs能带结构,直接带隙结构双能谷：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应 存在子能谷；子能谷与主能谷能量差小于禁带宽度而大于Kt；电子在子能谷的有效质量大于在主能谷的有效质量。带隙为1.42 eV,GaAs物理性质,GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽分子量为144.64原子密度4.421022/cm3,GaAs化学性质,GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于
16、王水室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解,GaAs电学性质,电子迁移率高达 8000GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快34倍高频器件，军事上应用,本征载流子浓度,GaAs光学性质,直接带隙结构发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等,GaAs的应用,GaAs在无线通讯方面具有众多优势GaAs是功率放大器的主流技术,1）GaAs在无线通讯方面,砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好
17、，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音内容，符合现代远程通讯要求。一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。,砷化镓与硅元件特性比较,GaAs非常适合高频无线通讯,2）GaAs是功率放大器的主流技术,砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细微
18、化和高集成度纯硅CMOS制程为主。手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求，因此使用GaAs制造将是最佳方式。GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。,手机是促进GaAs IC市场增长的主要动力,根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年达37亿美元GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是主要增长动力
19、，2003年无线市场占GaAs器件总体需求的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长，但2008年手机仍至少占GaAs市场的33%随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，仅手机这项需求，2008年GaAs芯片达到约30亿颗,国内外现状对比,目前我国在研制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段。手机用砷化镓电路基本靠进口。随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越来越大。砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。,3）GaAs还有更多的应用领域,光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构
20、筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。我国数十亿只LED管芯，所有的可见光激光器、高亮度发光管、近红外激光器等几乎都依靠进口，因此生产高质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产，将有力地发展我国民族的光电子产业。,GaN
21、材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。是很优越的微波材料,二、GaN,室温下GaN禁带宽度为3.4 Ev在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料,氮化镓与其它半导体材料的比较,材料的特性 化学性质结构特征
22、电学性质光学性质材料的应用,1）GaN材料的特性,高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G）高温特性，在300正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）高压特性（耐冲击，可靠性高）大功率（对通讯设备是非常渴望的）,2）GaN的化学特性,在室温下，GaN不溶于水、酸和碱；在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测；GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性；而在N2气下最为稳定。,3）结构特征,立方
23、系闪锌矿结构和六方纤锌矿结构；在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。,4）GaN的电学特性,GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。,5）GaN的光学特性,宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.36.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的主要在蓝光和紫光发射器件上应用,GaN的应用,1.实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命
24、，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。,半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一,日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaN LED,发光二极管 LED,发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。,发蓝光的二极管,LED应用,半导体白光照明车内照明交通信号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外、蓝光激光器 高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等,LED照明的优点,发光效率高，节省能源耗电量
25、为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单个单元尺寸只有35mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流,Ge：Eg0.67 eV 红光GaP：Eg2.25 eV 绿光GaN：Eg3.4 eV 蓝光,波长h/Eg;其中，h是普朗克常数，Eg是禁带宽度,高亮度白光LED的实现,基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光,通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光,基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,2.提高光存储密度.DVD的光存储密度与作为读写器件的半导
26、体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高45倍，因此，宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。,3.改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题。,三、InP,1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V族化
27、合物；InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽室温下与空气中稳定，3600C下开始离解,InP特性,高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAsInP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段；InP的热导率比GaAs好，散热效能好InP是重要的衬底材料,II-VI族化合物半导体材料,II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比III-V族要大,HgTe和HgSe，晶体结构只有闪锌矿结构,自补偿效应,除
28、了CdTe,其余II-VI化合物都是单极性半导体只能以一种导电类型存在存在高密度的空位等晶格缺陷，为自补偿效应提供条件难以利用杂质补偿的办法制作pn结,1）ZnS,闪锌矿和纤锌矿两种结构是一种用途广泛的电致发光材料：因掺杂物不同光谱由红光至蓝光覆盖整个可见光范围发射光谱和发光效率可通过掺杂和晶粒尺寸控制,ZnS应用,重要的光学和光电材料，在整个可见光波段都是直接带隙，发光效率高制备平面彩色显示器，激光，发光器件，等ZnS 薄膜场致发光显示器红外波长透射率高，熔点高，防潮抗腐蚀，可做红外窗口材料，用于红外线激光器、卫星、导弹跟踪系统,2）CdS/CdSe/CdTe,具有高度光敏性CdS/CdSe
29、属于n型单极性材料，空穴陷阱大大减少了光生载流子的复合机会，提高了少子寿命,应用,CdS/CdSe，光敏元件，用于相机自动曝光，机电光电控制、光电耦合、光电检测；CdS太阳电池转换效率10%左右，工艺简单，成本低廉，器件面积易扩大；CdTe高能辐射，高能粒子探测器CdS/CdTe相配可制成pn结异质太阳电池,a.苯的衍生物，主要有萘、蒽、丁省族化合物；b.电荷转移型有机半导体（施-受主络合物）,4.4 有机半导体,主要应用,光电子技术领域和薄膜场效应器件领域;有机薄膜发光二极管（OLED），主要使用聚对苯撑乙烯（PPV）,制造全色荧光屏有机薄膜太阳能电池，转换效率3%-4%，但成本低,4.5.
30、1 非晶的概念4.5.2 非晶半导体的基本性质4.5.3 非晶硅的优缺点及应用,4.5 非晶半导体,4.5.1 非晶的概念,与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。,用来描述非晶硅的结构模型很多，给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。,由配
31、位数、键长、键角所反映的原子排列规律性，称为短程序；指一个任意选定的参考原子的近邻原子的分布情况原子排列的平移对称性，称为远程序,结晶态是能量最小的稳定状态，而非结晶态是能量较高的亚稳定态非晶态到晶态的转变只需要克服一个很小的势垒非晶制备中采用足够高的冷却速率和足够低的籽晶密度,结晶态,非晶态,组态坐标,内能,1）能带模型2）非晶体的缺陷与隙态3）光学性质,4.5.2 非晶半导体的基本性质,1）能带模型,定域态：其电子的波函数被局限于某个原子的平衡位置附近，在热力学温度为零度时，永无在其它原子附近出现的可能扩展态迁移率边,非晶半导体能带不存在真正的能隙,非晶半导体能带模型(P96),在非晶硅材
32、料中，还包含有大量的悬键，多个悬键的聚集会造成各种态的空位、空位团、微孔。,2）非晶体的缺陷与隙态,EV,Ev,晶体半导体,EC,Ev,非晶半导体,ND,ND,钉扎效应,晶体硅中施主杂质电离时直接向导带底释放一个电子参与导电,非晶硅中施主杂质电离时，电子首先释放给隙态中未满的空能级隙态能态密度越高，填充隙态所需施主杂质浓度越高虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有效的移动费米能级，对于这种费米能级难以移动的情况，称为高能度隙态的钉扎效应,提高电阻率,替位式掺杂：隙态密度较低的情况,降低隙态密度悬空键 引入氢和氟,3）光学性质,晶体半导体直接跃迁和间接跃迁满足能量守恒和动量守恒间接跃迁时需要声子的参
33、与,非晶半导体电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波失,光吸收,非晶半导体的光吸收谱一般具有明显的三段式特征：A区：近红外区的低能吸收，吸收系数a随光子能量的变化趋于平缓B区：吸收系数a随着光子能量增加而指数性上升；对应于电子从价带边扩展态到导带尾定域态，以及电子从价带尾定域态到导带边扩展态的跃迁C区：本征吸收区；电子从价带到导带的跃迁；吸收系数a在104cm-1以上,C区，在可见光范围内，非晶硅的吸收系数大于单晶硅的吸收系数，显示了非晶硅在光电方面的应用前景,非晶硅与晶体硅的光吸收谱比较,光电导,S
34、-W效应，又称为光致退化效应，是Staebler和Wronski在1977年发现的非晶硅样品经过一段时间光照后，其光电导和暗电导都显著下降，将样品经过热处理后，样品又恢复到原来的状态,4.5.3 非晶硅的优缺点及应用非晶硅的优点,1.很好的光学性能，很大的光吸收系数2.可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的pn结和多层结构，易形成异质结3.通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学带隙（光子的能量处于带隙时，光子通不过晶体，被晶体的电子吸收了,电子被激发到了 更高的能级）4.可在较低温度下，采用化学气相沉积等方法进行制备薄膜5.生产过程相对简单,非晶硅的缺点,1.缺乏长期稳定性，处于非平衡态，所制备
35、器件存在性能退化，比如S-W效应2.载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件；但可用于低功耗产品中,最主要应用非晶硅太阳能电池,1、非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75m的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1m厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。,2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0 eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大
36、批生产。,4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。5、制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。,非晶太阳能电池的发展,自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，当时的转换效率不到1%。1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。1978年：集成型非晶硅
37、太阳能电池在日本问世。,1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。,4.6 精细结构半导体,精细结构半导体：当原子的有序程度略高于非晶硅，具有一定的长程有序性、但一个长程有序性的延续只在纳米量级的半导体材料把与结构尺寸有关的奇异性质的出现称为量子尺寸效应,多孔硅,多孔硅：可通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来获得表面积很大可发射高亮度的荧光，光谱覆盖紫外到近红外整个可见光区域，峰值波长可用孔隙度调节，随孔隙度升高从长波向短波移动，“蓝移”,Thank you!,
