1、9.3 介質(zhì)薄膜的電學性質(zhì) 9.4 半導體薄膜的性質(zhì) 9.5 薄膜的其他性質(zhì) 2015.05.26,9-3 介質(zhì)薄膜的電學性質(zhì),一、絕緣性質(zhì) 二、介電性質(zhì) 三、壓電性質(zhì) 四、熱釋電性質(zhì) 五、鐵電性質(zhì),介質(zhì)薄膜電學性質(zhì),一、介質(zhì)薄膜的絕緣性質(zhì),介質(zhì)薄膜絕緣性能的研究主要是為了制作薄膜電子元器件中的絕緣層。對絕緣性能的研究主要是電導和擊穿特性 介質(zhì)薄膜的電導 在測量介質(zhì)薄膜的電導時，需在介質(zhì)膜的兩面制作電極，形成金屬一介質(zhì)一金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，只有在電極與介質(zhì)的接觸是歐姆接觸時，測出的電導才是介質(zhì)膜的電導。,1介質(zhì)薄膜電導的分類 1)按載流子的性質(zhì)：可分為離子型電導和電子型電導。通常兩種同時存在。

2、 2)按載流子的來源分，離子電導和電子電導都有兩種來源：一種是來源于介質(zhì)薄膜本身的，稱本征電導；另一種是由膜中的雜質(zhì)和缺陷引起的電導，稱為雜質(zhì)電導或非本征電導。,2介質(zhì)膜的電導與場強和溫度的關(guān)系 1)通常在低場強(E106Vcm)下，電導為非歐姆性的；例如介質(zhì)膜用作電容器中的工作介質(zhì)時的情況。 3)在一般電場條件下,介質(zhì)薄膜 的電導率隨溫度升高而增加。 高溫下為本征電導，中低溫時 不同溫度范圍激活能不同。,介質(zhì)薄膜的擊穿 當施加到薄膜上的電場強度達到某一數(shù)值，它便立即失去絕緣性能，這種現(xiàn)象叫做擊穿。 從擊穿對薄膜造成的影響分類 1）如果擊穿電場持續(xù)加在薄膜上，將有較大電流通過將其燒毀，這種擊穿

3、成為硬擊穿。 2）有些介質(zhì)膜在擊穿時并不燒毀而是長期穩(wěn)定的工作維持低阻態(tài)，這種膜的擊穿成為軟擊穿。 從擊穿機理分類 1) 由于外加電場引起的擊穿稱為本征擊穿 2) 因薄膜缺陷引起的擊穿稱為非本征擊穿,介質(zhì)膜的本征擊穿 本征擊穿由電擊穿和熱擊穿共同作用完成。 電擊穿是介質(zhì)膜中載流子在臨界電場作用下產(chǎn)生電子倍增而形成的擊穿。 電擊穿時電子雪崩式增加，產(chǎn)生大量焦耳熱，介質(zhì)膜溫度迅速上升，介質(zhì)膜電導隨溫度上升指數(shù)型增加，進一步導致電流增大，最后造成局部地區(qū)產(chǎn)生熱分解、揮發(fā)或熔化，促成熱擊穿。,常見介質(zhì)膜的擊穿場強,對于同一種介質(zhì)膜，因制造方法不同其擊穿場強有較大的區(qū)別，產(chǎn)生這種差異的原因是不同制造方法

4、在介質(zhì)薄膜制備過程中產(chǎn)生的針孔、微裂痕、纖維絲和雜質(zhì)缺陷等不同。,二、介質(zhì)薄膜的介電性質(zhì) 作為薄膜電容器使用時，其電學性質(zhì)主要研究的是介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。 介質(zhì)薄膜的介電常數(shù) 根據(jù)極化性質(zhì)的不同，將介質(zhì)薄膜分為極化型介質(zhì)薄膜和非極化型介質(zhì)薄膜。 由于極化強弱與介質(zhì)薄膜中總電荷數(shù)以及電荷間相互作用強弱有關(guān)，所以介質(zhì)薄膜介電常數(shù)與原子序數(shù)有關(guān)。,介電薄膜的溫度系數(shù)也是其介電性能的重要參數(shù)。 在測量溫度系數(shù)時必須在介質(zhì)膜上制備歐姆接觸電極，構(gòu)成一個片狀電容器。在測量電容器溫度系數(shù)后再推求出介電常數(shù)的溫度系數(shù) 式中d為薄膜厚度熱膨脹系數(shù)，可直接測出。,介質(zhì)薄膜的損耗 對薄膜施加交變電場后，由于電導和極

5、化方面的原因，必然產(chǎn)生能量損耗，用損耗角的正切值tan（%）表示,介質(zhì)薄膜的損耗由三部分構(gòu)成 電導損耗。在低頻下比較顯著。 弛豫型損耗。與交變電場頻率有密切關(guān)系，高頻顯著。 非弛豫型損耗。由膜內(nèi)不均勻性造成，與頻率幾乎無關(guān)。,三、介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì) 帶電粒子在應力作用下發(fā)生相對位移而極化，在晶體兩端產(chǎn)生符號相反的束縛電荷，電荷密度與應力成線性關(guān)系。這種由于應力作用使表面產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象稱為正壓電效應。 當晶體受到電場作用時在它的某個方向發(fā)生應變，且應變與場強成線性關(guān)系，稱為負壓電效應。 這兩種效應綜合在一起稱為壓電效應。目前應用最多的壓電薄膜有ZnO和AlN,壓電薄膜的結(jié)構(gòu) 為了產(chǎn)生極化電荷

6、，要求： （1）離子晶體 （2）晶體結(jié)構(gòu)沒有對稱中心 （3）所選材料各微晶基本上有相同取向 （4）微晶原子排列上要求立方晶結(jié)構(gòu)閃鋅礦或者六方晶結(jié)構(gòu)纖鋅礦。,壓電性能參數(shù) 機電耦合系數(shù) 壓電系數(shù)d 單位應力作用下產(chǎn)生的極化強度或者單位電場作用下產(chǎn)生的應變 機械品質(zhì)因數(shù)Qm 描述壓電材料在諧振時機械能損耗的數(shù)量 電學品質(zhì)因數(shù)Qe 描述損失的交變電流能量,無功電流,有功電流,四、介質(zhì)薄膜的熱釋電性質(zhì) 具有自發(fā)極化的晶體被加熱時表面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)場稱為熱釋電效應。 當給熱釋電晶體施加電場時，會引起晶體溫度的變化，這稱為電卡效應。 熱釋電晶體要求具有自發(fā)極化型，且結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心。,五、介質(zhì)薄膜的鐵電

7、效應 鐵電體：某些晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化方向可以隨著電場方向而變化。 鐵電體的特征： 具有電滯回線（極化強度P和外電場E間的特定關(guān)系） 存在一個臨界溫度，即鐵電居里溫度 其介電性、熱學、光學、彈性性質(zhì)在在臨界溫度附近出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。 目前研究較多的鐵電薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3,94 半導體薄膜的性質(zhì),半導體薄膜的發(fā)展與半導體器件及集成電路的發(fā)展有著密切的關(guān)系，在各種半導體材料中，半導體薄膜占有非常重要的地位。 首先得到應用的半導體材料就是半導體薄膜。(氧化亞銅整流器、鍺整流器件) 本節(jié)僅就單晶、多晶、非晶和氧化物半導體薄膜等四種材料的性質(zhì)作些扼要介紹。,一、

8、單晶半導體薄膜,1. 硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜 3.族化合物半導體薄膜 4.族化合物半導體薄膜。,1. 硅外延薄膜 所謂“外延”(epitaxy)就是原子以單晶形式排列在單晶基體上，使最后形成的薄膜層的晶格結(jié)構(gòu)恰好是基體晶格結(jié)構(gòu)的延續(xù)(外延)。 硅外延薄膜是通過化學氣相沉積法(CVD)制造的。厚度在1m到20 m之間變化。,(1)外延膜厚度均勻性、電阻率的均勻性 外延膜厚度分布均勻性受反應氣體流速的影響。在CVD法制膜過程中： 1）氣流速度過快，會形成不穩(wěn)定的紊流，外延膜中間厚，邊緣?。?2）氣流速度過慢，結(jié)果是膜的中間薄邊緣厚。 此外， 外延膜電阻率均勻問題決

9、定于薄膜形成時加入到反應氣體中雜質(zhì)的種類和數(shù)量。,生長高品質(zhì)Si外延薄膜需要考慮的問題：,(2)自動摻雜效應 在外延膜生長過程中來自基體中的雜質(zhì)摻雜稱為自動摻雜效應。 抑制自動摻雜效應采取的措施： 減小外延膜生長時的氣壓(減壓CVD)，減小外延膜成長速率，增大氣體流量使用低蒸氣壓摻雜劑,(3)結(jié)構(gòu)缺陷 在外延膜中的結(jié)構(gòu)缺陷有位錯、積層缺陷、析出物、雜質(zhì)異物和氧化缺陷等。從廣義角度看，還有氧、碳及重金屬雜質(zhì)、原子空位和填隙原子等點缺陷。目前研究較多的缺陷是硅氧化時從表面引入的積層缺陷。(衡量這種缺陷的參數(shù)是積層缺陷長度L，它與氧化時間t及溫度T有關(guān))。 （4） 掩埋層變形和偏移。 硅外延膜生長時

10、容易產(chǎn)生掩埋層位置移動和邊緣塌陷變形現(xiàn)象。它與生長溫度，氣體種類，基體晶面方位等有關(guān)。,2.SOS(Si on Sapphire) 膜 在藍寶石基體上外延生長的Si膜稱為SOS薄膜。它是制造大規(guī)模集成電路的理想材料。利用SOS膜可提高電路的集成度、工作速度和可靠性，實現(xiàn)低功耗。 但因它屬于異質(zhì)外延生長，在SOS膜中還有缺點：如由于硅和藍寶石熱膨脹系數(shù)不同，在膜中產(chǎn)生壓應變、高密度晶格缺陷、在Si膜和藍寶石基體間存在著過渡區(qū)、有來自基體的Al自摻雜。,這些缺點對薄膜性質(zhì)的影響表現(xiàn)在： (1)熱應變的影響 SOS膜的生長是在1000左右溫度下進行。因室溫下Si膜和藍寶石基體的熱膨脹系數(shù)不同，在Si

11、膜中產(chǎn)生壓應力大約109dyn/cm2。由于壓應力作用使Si膜導帶能量發(fā)生變化，從而引起電導率發(fā)生變化。,(2)結(jié)構(gòu)缺陷和電導率 結(jié)構(gòu)缺陷的多少會影響到薄膜電導率的不同。以位錯這種結(jié)構(gòu)缺陷為例，在 SOS膜中位錯密度與膜厚d有關(guān)。,膜厚增加,位錯減少,電導率變化,(3)藍寶石與Si膜的界面 在Si膜和藍寶石基體之間存在一個厚度約為20-40nm的過渡區(qū)。在這個區(qū)域中存在有Al-Si-O化合物，與Si-SiO2界面一樣，在Si膜與藍寶石基體界面處Si的禁帶中央?yún)^(qū)域，界面能級密度較小。在半導體器件中這種界面能級是形成漏電流的一個原因。 但藍寶石基體中的Al自動摻雜作用對Si膜電導率影響不太大。,3

12、.族化合物半導體薄膜 利用化學氣相沉積(CVD)法可在各種基體上制造出單晶薄膜。 如可以在GaAs等基體上進行異質(zhì)外延生長并制備出低電阻率的N型單晶薄膜ZnSe和CdS ，P型單晶薄膜ZnTe。 這就克服了一般用 族化合物半導體難于制造兩種導電類型(P型和N型)半導體的困難(CdTe除外)。有效地利用薄膜具有禁帶寬度大和直接轉(zhuǎn)換導電類型等特點，來制造太陽能電池、發(fā)光和光接收器件。 另外利用MOCVD或者MBE方法也可制造出低電阻率薄膜。,4.族化合物半導體薄膜 這類薄膜可用氣相外延或液相外延法制造。 氣相外延生長的GaAs薄膜中，載流子密度大約為1013cm3左右。 在液相外延薄膜中的位錯密度

13、與基體位錯密度有直接關(guān)系。用控制蒸氣壓溫差法可有效降低基體的位錯密度。在最適宜的蒸氣壓條件下位錯密度可以控制到少于100個/ cm2位錯。從而改善外延膜的電學性質(zhì)。,二、多晶半導體薄膜,多晶是具有某種尺寸分布的單晶顆粒的集合體。這些晶粒沒有一定的結(jié)晶方向。在每個晶粒內(nèi)部有規(guī)則順序排列的原子但沒有晶格缺陷。在晶粒間界處有顯著的晶格混亂失配。 在單晶中，晶體的性質(zhì)主要取決于位錯密度和雜質(zhì)濃度。但在多晶中由于晶粒尺寸分布和擇優(yōu)取向等因素影響，其物理性質(zhì)千差萬別。 半導體多晶薄膜的電學性質(zhì)在很大程度上受晶粒尺寸、晶粒間界及晶粒間界處缺陷密度的影響,三、非晶半導體薄膜,非晶半導體薄膜根據(jù)元素化學性質(zhì)和組

14、合情況分為兩種類型：硫硒碲系和四面體系。 1）硫硒碲系中都含有二配位的S、Se和Te原子并且組成一維或二維網(wǎng)絡(luò)。彼此之間依靠范德華力聯(lián)結(jié)成分子性較強的固體。 2）四面體系是靠原子間強方向性正四體配位的共價鍵結(jié)合而形成三維的堅固網(wǎng)格狀固體。,1）硫硒碲系非晶半導體薄膜 用真空蒸發(fā)或陰極濺射等氣相沉積法或液相沉積法制備。 與單晶半導體材料相類似，它具有電子傳輸性能、激活型導電、大的熱電勢及較高的光導性能。,2）四面體系非晶半導體薄膜 典型代表是：非晶硅膜a-Si。 當膜厚d非常薄時，其電導率： 式中 0是電子躍遷平均距離；N(Ef)是電子狀態(tài)密度； k是玻耳茲曼常數(shù)； Ef是費米能級；是能量為Ef時電子波函數(shù)的衰減常數(shù)；B是常數(shù) 。,四、氧化物半導體薄膜,這類半導體薄膜中，應用較廣泛的是SnO2、In2O3和Cd2SnO4等半導體薄膜。 它們都是透明導電薄膜，在電學和光學方面的應用實例在下表中給出。在電氣應用時對普通透光性和導電性都有較高的要求。在光學應用時要求對可見光和紅外線有較好的選擇反射特性。,氧化物半導體薄膜的應用實例,9.5 其他新型薄膜及性質(zhì) 超導薄膜 超導體：在一定的臨界溫度Tc下，電阻值突然變?yōu)?，表現(xiàn)出完全導電體，完全抗磁體，量子凝縮效應以及約瑟夫