《薄膜物理与技术》A卷试题参考答案及评分细则 一、名词解释：（本题满分20分，每小题5分） 1、饱和蒸汽压 在一定温度下（1分），真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中（2分）所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。（2分） 2、溅射 是指荷能粒子轰击固体物质表面（靶），（1分）并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，（2分）从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。（2分） 3、化学气相沉积 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片（2分），利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源（2分），使气态物质经化学反应形成固态薄膜。（1分）。 4、外延生长 外延生长技术就是在一块半导体单晶片上（2分）沿着单晶片的结晶轴方向生长（2分）一层所需要的薄单晶层。（1分） 二、简答题：（本题满分80分） 1、什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度（10分） 答：真空是指低于一个大气压的气体空间。（2分） 对真空的划分： 1）粗真空：105－102Pa；（2分） 2）低真空：102－10-1Pa；（2分） 3）高真空：10-1－10-6Pa；（2分） 4）超高真空：＜10-6Pa。（2分） 2、什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？（10分） 答：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出（2分），形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。（2分）其基本过程包括： （1）加热蒸发过程。包括凝聚相转变为气相的相变过程。（2分） （2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运。（2分） （3）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程，即使蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。（2分） 3、简述磁控溅射的工作原理。（10分） 答：磁控溅射的工作原理是：电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar＋和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar＋在电场作用下加速飞向阴极靶，（2分）并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。（2分） 二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。一般可近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。（2分）
半導體薄膜材料分析 李文鴻 化學工程系 黎明技術學院 摘要 使用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以CH4/SiH4/Ar混合氣體於低溫下成長碳化矽薄膜為例，藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)、X射線光電子能譜儀(XPS; ESCA)、歐傑電子能譜儀(AES)、拉塞福背向散射儀(RBS)、低能量電子繞射（LEED）、反射式高能量電子繞射(RHEED)、拉曼光譜儀（Raman）來研究碳化矽薄膜的微結構、表面型態及化學組成與沉積參數之間的關係，藉由二次離子質譜儀(SIMS)來研究沉積膜的雜質濃度分佈，利用光子激發光(PL)來量測發光波長範圍。 關鍵字：材料分析、電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法、碳化矽薄膜 一、前言光電半導體產業的發展非常迅速，其中
積體電路製程技術的發展朝向尺寸微小化，目前已邁入0.13μm以下製程及邁向奈米的範疇，並朝多層薄膜的趨勢。然而新材料和製程的開發及其分析更是必須掌握的。本文將以跨世紀的接班材料-碳化矽(silicon carbide)為例，介紹材料之薄膜成長及其分析。 碳化矽為具有許多優異特性的電子材料，如寬能隙、高電子遷移率、高飽和飄移速度、高崩潰電壓、高操作溫度、高熱傳導度、化學惰性、高融點及高硬度【1】，並具耐熱震(thermal shock resistance)、抗高溫氧化、比矽低的介電常數等優點。由Johnson 之優值指標(評估元件在高功率及高頻下運作的指標)碳化矽(β-SiC)為矽之1137.8倍，及Keyes 之優值指標(評估元件在高速下運作的指標) 碳化矽(β-SiC)為矽之5.8倍【2】，故碳化矽元件能在高功率、高頻及高速下操作的特性，在光電元件的製造上，具極大之應用價值，且可用於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)元件之薄膜【3】、封裝材料及濾材之分離膜等【4】。在商業應用發展方面，Cree Research、日本三洋公司及信越半導體等的碳化矽藍光LED已商品化，Motorola將碳化矽應用於RF 及微波的高頻高功率元件，General Electric 應用於高功率及高溫元件之感測器，Westinghouse 應用於高頻MESFET元件等。可見碳化矽具多用途且具發展潛力，因此被諭為跨世紀的接班材料。 由於材料之製程會影響材料結構及性質進而影響其應用，因此本文將介紹碳化矽材
半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：半导体材料 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业限选 学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 （三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》； 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 （四）教材：杨树人《半导体材料》 主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯
第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长（VPE） 第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD） 第三节分子束外延生长（MBE） 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料
第一章真空技术基础 1、膜的定义及分类。 答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类： （1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜； （2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。 2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？ 答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。 3、何为真空、绝对真空及相对真空？ 答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气体的空间状态称为绝对真空。目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。 4、毫米汞柱和托？ 答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。 5、真空区域是如何划分的？ 答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。 6、真空各区域的气体分子运动规律。 答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子和器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子和容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子和器壁的碰撞机会也更少了。 7、何为气体的吸附现象？可分几类、各有何特点？ 答：气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附。 （1）物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；（2）化学吸附则发生在较高的温度下，和化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体中的原子和固体表面原子接触并形成化合键时才能产生吸附作用。 8、何为气体的脱附现象？ 答：气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。 9、何为电吸收和化学清除现象？ 答：电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、铁等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将和非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。 10、影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素
第二章 薄膜制备的化学方法 薄膜制备的化学方法需要一定的化学反应，这种化学反应可以由热效应引起或者由离子的电致分离引起。在化学气相沉积和热生长过程中，化学反应是靠热效应来实现，而在电镀和阳极氧化沉积过程中则是靠离子的电致分离实现的。 与物理气相沉积相比，尽管化学方法中的沉积过程较为复杂，也较为困难，但是薄膜沉积所使用的设备一般比较简单，价格也较为便宜。 第一节 热氧化生长 在充气条件下，大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜可以通过加热基片的方式获得。如：室温下Al 基片上形成氧化铝膜。 图2-1 氧化铝薄膜热生长 热生长制备薄膜虽然不是一种常见技术，但是热生长在金属、半导体氧化物的研究比较广泛，特别是在电子器件的氧化物层的钝化作用。 1-热电偶 2-窄玻璃管 3-加热线圈 4-玻璃管 5-样品 6-出气口 8-进气口 图2-2 在空气和超热水蒸气下，薄Bi 膜氧化实验装置 Air Al Al 2O 3
第二节化学气相沉积 一、一般化学气相沉积反应 化学气相沉积过程主要有三个过程：在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质量输运；气相反应产生新的反应物（前驱体）和副产物；初始反应的反应物和生成物输运到衬底表面，这些组分在衬底表面的吸附；衬底表面的异相催化反应，形成薄膜；表面反应产生的挥发性副产物的脱附；副产物通过对流或扩散离开反应区域直至被排出。 图2-3 CVD技术沉积薄膜中的气体输运和反应过程 在薄膜沉积过程中可控制的变量有气体流量、气体组分、沉积温度、气压、真空几何构型。 图2-4CVD技术沉积薄膜中的可控变量 分类： CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。 （1）按沉积温度：
薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太 阳能电池 一概述 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。 太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。 二薄膜太阳能电池。 1、薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池
的发展方向[1]。 太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他 原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。 2、无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生
薄膜物理与技术课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：薄膜物理与技术 所属专业：电子器件与材料工程 课程性质：必修课 学分：3 （二）课程简介、目标与任务； 本课程讲授薄膜的形成机制和原理、薄膜结构和缺陷、薄膜各项物理性能和分析方法等物理内容；讲授薄膜各种制备技术。通过本课程学习，使学生具备从事电子薄膜、光学薄膜、以及各种功能薄膜研究与开发的能力 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 《量子力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《电子技术》、《电路分析》等。 （四）教材与主要参考书。 教材：杨邦朝，王文生. 《薄膜物理与技术》，成都：电子科技大学出版社，1994 主要参考书：1.陈国平.《薄膜物理与技术》，东南大学出版社，1993 2.田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006-8 二、课程内容与安排 本课程全部为课堂讲授。重点：真空的获得和真空测量的工作原理；物理气相沉积和化学气相沉积的原理及方法；薄膜生长的机理。 难点：磁控溅射的机理及控制；MOCVD技术；薄膜形成过程的机理 （一）绪论2学时 1、薄膜的概念和历史 2、薄膜材料与薄膜技术的发展 3、薄膜科学是边缘交叉学科 4、薄膜产业是腾飞的高科技产业
（二）真空技术基础2学时 1、真空的基本知识 2、真空的获得 3、真空的测量 （三）真空蒸发镀膜4学时 1、真空蒸发原理 2、蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 3、蒸发源的类型 4、合金及化合物的蒸发 5、膜厚和淀积速率的测量与控制 （四）溅射镀膜4学时 1、溅射镀膜的特点 2、溅射的基本原理 3、溅射镀膜类型 4、溅射镀膜的厚度均匀性 （五）离子镀膜2学时 1、离子镀原理 2、离子镀的特点 3、离子轰击的作用 4、离子镀的类型 （六）化学气相沉积镀膜4学时 1、化学气相沉积的基本原理 2、化学气相沉积的特点 3、化学气相沉积方法简介 4、低压化学气相沉积 5、等离子体化学气相沉积 6、其他化学气相沉积 （七）溶液镀膜法2学时 1、化学反应沉积 2、阳极氧化法
SiC半导体在薄膜物理制备中的研究 摘要作为新一代的半导体材料，SiC具有优良的化学物理性质，因此，SiC薄膜的制备工艺也越来越受到人们的关注。本文主要对当前SiC薄膜的物理制备工艺进行详细的研究介绍，并进一步总结讨论了各种制备工艺的优缺点。 【关键词】SiC薄膜结构性质物理汽相沉积 1 引言 SiC材料是一种宽带隙半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱和漂移速度高、电子迁移率高、热导率高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性好等优良的物理化学性质，还可以与Si集成电路工艺兼容，成为制作高温、高频、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及光电集成器件的优选材料。 近年来，人们对SiC材料的制备工艺，结构特点和器件应用进行了广泛深入的研究，但是由于SiC单晶价格昂贵，而且制备难度较大，因此SiC薄膜的制备成为研究的重点。目前SiC薄膜有多种物理制备方法，主要有磁控溅射法、脉冲激光沉积、电子束蒸发和分子束外延。 2 SiC薄膜的物理制备工艺研究 物理汽相沉积是利用某种物理过程，如物质的热蒸发受
到粒子轰击时物质的表面原子的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。物理气相沉积主要包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发和分子束外延法。 2.1 磁控溅射法 磁控溅射法镀膜是利用直流或高频电场使惰性气体（Ar）电离，在电场作用下电离产生的正离子高速轰击阴极的靶材，使靶材的原子或分子溅射出来，然后沉积在基片上形成薄膜。魏艳君[3]等人用磁控溅射法对SiC薄膜进行了研究，实验以电阻率为5??cm的Si为衬底，背底真空度为1.5×10-3pa溅射气压为2.0pa，靶基距为55mm，溅射功率为60～70W， 溅射时保持衬底的温度为400℃。分析实验数据发现，在 120W的溅射功率下制备的SiC薄膜质量最好。 2.2 脉冲激光沉积 脉冲激光沉积（PLD）的原理是由激光器激发出来的高 功率密度的脉冲激光打在靶材表面，使靶材温度迅速升高并蒸发成离子体到达靶对面的衬底，最后在衬底上沉积成膜。脉冲激光沉积溅射出来的粒子动能大，不过结晶质量高，所需衬底温度低，但是生长大尺寸的薄膜均匀度很难保证，沉积速率也比较低。Diegel[4]等人利用脉冲激光沉积法对SiC 薄膜进行了研究，以SiC烧结靶为靶材，在温度为950℃～1200℃的石英玻璃和si衬底上进行薄膜生长。实验结果显示，在石英衬底上得到的SiC薄膜质量较差，si衬底上生长出的
第一章 最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在m v 处有极大值，m v 称为最可几速率 M RT M RT m kT 41.122==,Vm 速度分布 平均速度: M RT m RT m kT 59.188==ππ，分子运动平均距离 均方根速度:M RT M RT m kT 73.133==平均动能 真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。 真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关； (热偶真空计) 利用气体分子电离；（电离真空计） 真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵 机械泵：利用机械力压缩和排除气体 扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用 分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。 平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。 常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa 真空区域的划分、真空计、各种真空泵 粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵 属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。 不需要油作为介质，又称为无油泵 绝对真空计： U 型压力计、压缩式真空计 相对真空计：
分子束外延技术（MBE）的原理 及其制备先进材料的研究进展 XX （XXXX大学材料学院，西安710000） 摘要：分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的,是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求.MBE是一个动力学过程，而不是一个热力学过程.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点,如生长速率低、衬底温度较低等.在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.MBE是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点.未来的发展趋势是结合其他生长技术不断改进MBE，如MBE与VPE并用、气态源分子束外延(GSMBE)、激光分子束外延（LaserMBE）等. 关键词：分子束外延；薄膜；生长技术；半导体 The principle of Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the research progress in the preparation of advanced materials XX (Department of Materials,XXX,Xian 710000) Abstract:Molecular Beam Epitaxywas developed forthe preparation of semiconductor thin film materials by vacuumevaporationtechnique in the 50's，which aims to meet the requirements ofthe electronic devices in the process of higher and higher.MBE is a dynamic process, not a thermodynamic process.MBE has many characteristics whencomparing with other epitaxial thin film growth techniques , such as low growth rate, low substrate temperature and so on.The advent of MBE letthe thicknessof order of magnitudeof atomic, molecular of epitaxial growth be achieved in ultrathin layer epitaxial growth technique, that has opened upBand Engineering,anew field of semiconductors.The development of semiconductor materials science plays an active role in the development of semiconductor physics and information science.MBE is a more useful way to prepare new devices, but there areshortcomings.In the future,the development trend is to continuous improving MBE with the combination of other growth techniques,such as combining MBE with VPE,Gas Source Molecular Beam Epitaxy,Laser Molecular Beam Epitaxy etc. Key words:Molecular Beam Epitaxy;thin film;growth techniques;semiconductor
实验一磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序； 2、制备出一种金属膜，如金属铜膜； 3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能； 4、掌握实验数据处理和分析方法，并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。 二、实验仪器 磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台；玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。 三、实验原理 1、磁控溅射镀膜原理 （1）辉光放电 溅射是建立在气体辉光放电的基础上，辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电时，两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述，以气压为1.33Pa 的 Ne 为例，其关系如图 5 -1 所示。 图 5-1 气体直流辉光放电的形成 当两个电极加上一个直流电压后，由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限，开始时只有很小的溅射电流。随着电压的升高，带电离子和电子获得足够能量，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流逐步提高，但是电压受到电源的高输
出阻抗限制而为一常数，该区域称为“汤姆森放电”区。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉，出现电压降低。进一步增加电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，该区称为“正常辉光放电”区。当离子轰击覆盖了整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区内的电压和电流密度，形成均匀稳定的“异常辉光放电”，这个放电区就是通常使用的溅射区域。随后继续增加电压，当电流密度增加到～0.1A/cm 2时，电压开始急剧降低，出现低电压大电流的弧光放电，这在溅射中应力求避免。 （2）溅射 通常溅射所用的工作气体是纯氩，辉光放电时，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，这些被溅射出来的原子具有一定的动能，并会沿着一定的方向射向衬底，从而被吸附在衬底上沉积成膜。这就是简单的“二级直流溅射”。 （3）磁控溅射 通常的溅射方法，溅射沉积效率不高。为了提高溅射效率，经常采用磁控溅射的方法。磁控溅射的目的是增加气体的离化效率，其基本原理是在靶面上建立垂直与电场的一个环形封闭磁场，将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率，从而显著提高溅射效率和沉积速率，同时也大大提高靶材的利用率。其基本原理示意见图 5-2。 图 5-2 磁控溅射镀膜原理 磁控溅射能极大地提高薄膜的沉积速度，改善薄膜的性能。这是由于在磁控
1.为了研究真空和实际使用方便，根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为 粗真空，低真空，高真空，超高真空四个区域。 2.在高真空真空条件下，分子的平均自由程可以与容器尺寸相比拟。 3.列举三种气体传输泵旋转式机械真空泵，油扩散泵和复合分子泵。 4.真空计种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。 5.气体的吸附现象可分为物理吸附和化学吸附。 6.化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为常压式，低压式，热壁 式和冷壁式。 7.电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以 正离子的形式存在。制备有序单分子膜的方法是LB技术。 8.不加任何电场，直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。 9.物理气相沉积过程的三个阶段：从材料源中发射出粒子，粒子运输到基片和粒子 在基片上凝聚、成核、长大、成膜。 10.溅射过程中所选择的工作区域是异常辉光放电，基板常处于负辉光区，阴极 和基板之间的距离至少应是克鲁克斯暗区宽度的3-4倍。 11.磁控溅射具有两大特点是可以在较低压强下得到较高的沉积率和可以在较低 基片温度下获得高质量薄膜。 12.在离子镀成膜过程中，同时存在吸附和脱附作用，只有当前者超 过后者时，才能发生薄膜的沉积。 13.薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与 结合生长过程。 14.原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以原子对结合能为最小单位不连续变化 的。 15.薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：高的沉积温度、气相原子的高的动能、 气相入射的角度增加。这些结论假设凝聚系数为常数，基片具有原子级别的平滑度。 16.薄膜生长的三种模式有岛状、层状、层状-岛状。 17.在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：点缺陷、位错、晶界和 层错。 18.列举四种薄膜组分分析的方法：X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子 显微镜分析法和俄歇电子能谱法。 19.红外吸收是由引起偶极矩变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起极化率 变化的分子振动产生的。由于作用的方式不同，对于具有对称中心的分子振动，红外吸收不敏感，拉曼散射敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动，红外吸收敏感而拉曼散射不敏感。对于对称性高的分子振动，拉曼散射敏感。 20.拉曼光谱和红外吸收光谱是测量薄膜样品中分子振动的振动谱，前者 是散射光谱，而后者是吸收光谱。 21.表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射产额、溅射粒子的速度和能 量等。 什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度。 真空，一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。粗真空 105～102Pa 粘滞流，分子间碰撞为主低真空 102～10-1 Pa 过渡流高真空 102～10-1 Pa分子流，气体分子与器壁碰撞为主超高真空 10-5～10-8 Pa气体在固体表面吸附滞留为主极高真空 10-8 Pa 以下
薄膜物理与技术 第一章 1、真空：低于一个大气压的气体空间。P1 2、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越高。P1 3、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P2 4、平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程。P5 5、余弦定律：碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表 面法线方向所成角度θ的余弦进行分布。P7 6、极限压强（或极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0）， 而是具有一定的压强。P7 7、抽气速率：在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。P7 8、机械泵的原理：利用机械力压缩和排除气体。P8 9、分子泵的工作原理：靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走， 而使被抽容器获得超高真空。P13 第二章 1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17 （1）加热蒸发过程：…… （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运：…… （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程：…… 2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空气非常稀薄的真空环境中进行？P18 答：如果不是真空环境，蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。 3、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现 出的压力。P18 4、蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。P18 5、碰撞几率：。P23 6、点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。P25-27 计算：公式2-28、2-33 7、蒸发源与基板的相对位置配置P33 （1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中心。 （2）小平面源与基板相对位置的配置：当小平面源为球形工作架的一部分时，该小平面蒸发源蒸发时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。 （3）大、小面积基板和蒸发源的配置。 8、对蒸发源材料的要求：①熔点要高；②饱和蒸气压低；③化学性能稳定，在高温下不应 与蒸发材料发生化学反应；④具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；⑤原料丰富，经济耐用。P35、37 9、表2-5 适合于各种元素的蒸发源（蒸发源材料）。P36 10、外延：在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单 晶层薄膜的方法。P46 11、同质外延：外延薄膜和衬底属于同一物质；异质外延：外延薄膜和衬底属于不同物质。
摘要：讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括物理法和化学法两大类下的几种，机械球磨法、磁控溅射法、静电纺丝法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点关键词:半导体纳米粒子性质；半导体纳米材料；溶胶一凝胶法;机械球磨法；磁控溅射法；静电纺丝法；微乳液法；模板法；金属有机物化学气相淀积引言 半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）。相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维,通常适用体材料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道,半导体纳米粒子结构上的特点(原子畴尺寸小于100nm,大比例原子处于晶界环境,各畴之间存在相互作用等)是导致半导体纳米材料具有特殊性质的根本原因。半导体纳米材料独特的质使其将在未来的各种功能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之一。本文讨论了半导体纳米材料的性质,综述了几种化学法制备半导体纳米材料的原理和特点。
2.半导体纳米粒子的基本性质 2.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。 随着纳米材料粒径的减小，表面原子数迅速增加。例如当粒径为10nm 时，表面原子数为完整晶粒原子总数的20%；而粒径为1nm时，其表面原子百分数增大到99%；此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子：有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。 因此想要获得发光效率高的纳米材料，采用适当的方法合成表面完好的半导体材料很重要。 2.2量子尺寸效应 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸(如与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的玻尔半径相等)以后,其中的电子、空穴和激子等载流子的运动将受到强量子封
一、填空题 在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积 薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程 薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体的压强P和电极距离的乘积有关。 1.表征溅射特性的参量主要有溅射率、溅射阈、溅射粒子的速度和能量等。 2. 溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在 1～100nm 之间。 3．薄膜的组织结构是指它的结晶形态，其结构分为四种类型：无定形结构，多晶结构，纤维结构，单晶结构。 4．气体分子的速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越快。 二、解释下列概念 溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面 (靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象 气体分子的平均自由程:每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值： 称为平均自由程， 饱和蒸气压：在一定温度下，真空室蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。 凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。 物理气相沉积法：物理气相沉积法 (Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 真空蒸发镀膜法:是在真空室，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态 溅射镀膜法:利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质作成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将靶原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。 离化率:离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一个重要指标。 化学气相沉积:是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。 物理气相沉积：是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到离子轰击时物质表面原子溅射的现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。 溅射阈值:溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。
第六章
新型半导体薄膜材料
本章主要介绍硅基非晶半导体薄膜材料的结 构特点、制备方法、光学和电学特性以及这 些材料的研究现状。同时还将介绍微晶Si薄 膜和多晶Si薄膜的结构特点、制备方法及其 应用。在应用方面，将重点介绍高效率、长 寿命、低价格、大面积非晶硅（a-Si:H）太 阳能电池的工作原理及发展现状。
概 述
? 新型半导体薄膜材料的研究与发展，主要 是以研究和发展非晶态半导体薄膜材料制 备与器件应用最为活跃，已成为材料学科 的一个重要组成部分 ? 随着非晶态半导体在科学和技术上的飞速 发展，它已在高新技术领域中得到广泛应 用，并正在形成一类新兴产业。
例如，用高效、大面积非晶硅（a-Si:H）薄 膜太阳电池制作的发电站已并网发电（它是 无任何污染的绿色电源）；用a-Si薄膜晶体 管制成的大屏幕液晶显示器和平面显像电视 机已作为商品出售；非晶硅电致发光器件和 高记录速度大容量光盘等。也正在向实际应 用和商业化方向发展。 大量事实说明，研究非晶态半导体薄膜材料 的意义不仅在于技术上能够产生新材料、新 器件和新工艺，而且对于认识固体理论中的 许多基本问题也会产生深远的影响。
硅基非晶态半导体薄膜
“非晶”固体或“无定形”（Amorphous）固 体是一种不具有晶体结构的固体。通常“非晶” 或“无定形”是同义词。但是，严格说来，所 谓“非晶”就是指那些不结晶的物质。液体等 也包括在内。所谓“无定形”是指“玻璃态”的 物质。“玻璃”这一术语多半是指将熔化状态 的物质通过冷急法冻结成的固体。
ZnO半导体材料的制备与合成 (安徽工业大学,材料科学与工程) 摘要: 氧化锌半导体材料以其优良的光电性能在光电子、传感器、透明导体等领域得到广泛应用。综述了氧化锌半导体功能材料在敏感材料、压电材料、导电薄膜等方面的性能、应用及薄膜的制备技术, 相对于三维块体材料, 氧化锌薄膜可以适应大规模集成电路的需要, 更具发展前途和研究价值。氧化锌薄膜的性质随掺杂组分和制备条件的不同而表现出很大的差异性。 1.关键词: 氧化锌; 半导体材料; 薄膜; 光电性能 Abstract: Znicoxide has a wide range of technological applications as semiconductive material including photoelectron, sense organ, tansparent conductor and others. This paper concentrates on the properties and applications o f ZnO in sensitive ma terials, piezoe lectric m aterials and conductive film, also on techniques which the thin film was prepared by. Contrasting with monolith materia ls, the ZnO thinfilm can meet the demands of molectron and possesses a grea tdevelopment futureand resea rchvalue. The ZnO thin film can be doped with a variety of ions and prepared with m any techniques to exhibit different properties. K ey words: ZnO; semiconductive mteria ;l thin film; optica l and electrical property. 1稀磁性半导体 1．1从磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nonmagneticsemiconductor)、稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor，DMSs)和磁半导体(magnetic semiconductor)三种类型。磁性半导体集半导电性和磁性于一体，可以同时利用电子的电荷和自旋，兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性，被认为是21世纪最重要的电子学材料。在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣。 1．2稀磁半导体定义及研究意义 稀磁半导体材料按照磁性元素的种类可以分为磁性过渡金属元素基稀磁半导体和磁性稀土金属元素基稀磁半导体；按照半导体材料来分可以分为化合物半导体基稀磁半导体和单质半导体基稀磁半导体。目前，人们主要从事的是II一Ⅵ和III．V族化合物基的稀磁半导体的研究，半导体基一般有InP、bias、GaAs、GaSb、GaN、GaP、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe等，磁性元素一般为过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni、Cr等。然而，由于大多过渡金属元素在IⅡ．V族半导体材料中的溶解度很低，导致III．V族基的DMS材料的自旋注入效率很低，难以获得大的磁性，实际应用价值不大，相比之下，ZnO在这方面具有较大的优势。Jin等人的实验证明，过渡金属元素在ZnO中具有较高的溶解度，其中Co、Mn的溶解度分别达到50mol％和30mol％，此外，在ZnO中很容易实现重电子掺杂(>1021锄。