不同元素对薄膜电性能的影响未掺杂任何元素的

发布者:admin 发布时间:2019-10-24 14:48 浏览次数:

  不同元素对薄膜电性能的影响未掺杂任何元素的 表现为 型本征载流子浓度 它是由于 空位造成的 型自掺杂的结果 是被深能级补偿的质量不高的材料。这些自身施主和缺陷能级对半导体的光学、电学性能起着重要作用 例如 由于 的存在 会造成本底电子浓度的增加 占据 空位 出现 型导电性质。异质结是由两种不同的半导

  不同元素对薄膜电性能的影响未掺杂任何元素的 表现为 型本征载流子浓度 它是由于 空位造成的 型自掺杂的结果 是被深能级补偿的质量不高的材料。这些自身施主和缺陷能级对半导体的光学、电学性能起着重要作用 例如 由于 的存在 会造成本底电子浓度的增加 占据 空位 出现 型导电性质。异质结是由两种不同的半导体薄膜材料构成的结 由导电类型相反的两种材料组成的为异质结 结。如果两种材料的导电类型相同形成的为同质结 因此异质结表现的光电性质比同质结的更优良其适用于制备半导体激光器、发光二极管、光检测器及太阳能电池等各种领域【 。目前 研究较多的为晶格失配率较小的材料 等薄膜单晶材料此外对两种材料晶格常数相似的 体系也进行了研究 以及 等化合物材料。基于 薄膜的特殊光、电特性 其与其他半导体间结合应用成为现在研究热点。何斌等人用磁控溅射法在 上沉积薄膜 然后采用离子注入法 制备出 结构的特征曲线具有非线性 阈值电压在 左右【 薄膜发现薄膜与电极间成欧姆特性 测得 异质结间有明显整流特性 阈值电压在 左右 之后制备出 结构 测得光电转换率为 等人用法沉积多晶 薄膜 制备出 结构来研究 结构的电性能接触显示欧姆特性 显示肖特基势垒对于 样本 肖特基势垒高达 由肖特基势垒及金属功函数之间的关系推出 型导电制造 二极管 其整流比高达 小组在衬底上制备出 测得 特征曲线具有明显的非线性阈值电压在 左右【 】。目前有关 薄膜与其他半导体材料间的异质结性能研究较少。由于不同氮化硼的同素异构体结构对应不同电性能 因此随着氮化硼结构变化对应的 间异质结性能发生变化。第页武汉科技大学硕士学位论文 低压压敏电阻研究 压敏材料可用于多种领域 含有特殊的伏安特征。它的 特性有点像背靠背的二极管。不同点 它具有正反两个方向的对称特性 击穿后可恢复。典型 特性曲线见 曲线由图可知 压敏电阻存在三个区域 预击穿区 图可知此时电流小呈现电阻高的特点 电路设备正常运行 击穿区 此区域电压变化较小 电流急剧增大 即电阻瞬间下降 高电流区 随着电压增大 电流也会增大。 的结构及性能特点 等特点还具备优良的机电耦合性。 晶体常表现为 闪锌矿、纤锌矿型结构。其中 铅锌矿结构在常温、常压状态下 是热力学稳态想 如图 【捌。基于 本征材料的特点 薄膜具备特殊的光、电及磁性能 可用于制备发光、压电、压敏、稀磁及气敏等元器件。 纤锌矿结构武汉科技大学硕士学位论文第 页氧化锌本征缺陷有以下几种 、形成能最低。在富条件下 形成能最低。由于这些缺陷的存在 中产生附加能级。这些附加能级对的性能产生一定影响。除点缺陷外 具有禁带宽、电阻率低 、载流子浓度高、光透射率高 、微波衰减性强及霍尔迁移率低 等特点其在光电子等很多领域得到使用。由于与 薄膜相比 具有下列几个特点 无毒 对人体无害 价格便宜 成本低 等离子体中稳定功效高等 因此 薄膜渐渐成为研究较热的新一代透明导电薄膜材料…】。 薄膜常见制备方法有 、热喷涂法等。低压 压敏电阻原理及研究现状大部分研究认为 压敏材料特殊的 特性来源于晶界效应 关于其具体的导电模型尚存争议 应用较多的为双肖特基势垒模型 见图 。文献指出 的一部分掺杂元素 使晶界处产生电子陷阱引起费米能级降低。另一部分杂质 会在氧化锌晶粒中固溶作为施主型能级 使晶粒显示出 型导电。基于自由能最低原则 晶粒中的电子会向晶界的电子陷阱处聚集。由于电子在晶界处被捕获 这样会形成带负电的界面层。晶界两侧的晶粒中由于电子的缺失 形成带正电荷的施主态层。这种电荷分布会阻碍内部载流子的运动 又称之为“耗尽层 。当受到外加电场作用时 晶界有一侧的费米能级降低 另一侧的电子可以通过隧道效应穿过晶界势垒 从而显示特殊 双肖特基势垒模型第页武汉科技大学硕士学位论文近年来 基于微电子元器件的需求 低压化压敏电阻越来越引起人们注意。文献指出 减小压敏电阻的厚度 进而可获得低压压敏电阻。这种方法在实验中较易实现 因此薄膜型压敏电阻成为目前研究的热点之一。根据相关研究报告 有关薄膜型的低压压敏电阻及压敏电阻机理方面都有一定成果。 等人利用 法制备了 双层膜 对应 的压敏陶瓷微观结构测出其非线性大于 等人用法制备 双层膜 对应 压敏陶瓷的微观结构测得其压敏电压为 非线性系数。口 同时发现两层膜的界面处形成耗尽层 等人制备了三明治结构 【高达压敏电压为 通过在溅射中通溅射纯锌的靶材来获得择优取向生长的 薄膜。这种柱状薄膜也出现非线性【 压敏电压降至。随着低压化压敏电阻的发展趋势 薄膜型压敏电阻受到人们广泛关注。对于如何获得高效制备方案、高性能的压敏电阻 以及有关压敏陶瓷其机理还需更深入的研究。 本课题的研究内容及意义由文献知 掺杂 具有特殊的光、电及磁性能 可用于制备发光、压电、压敏、气敏等元器件 随着电子技术的高速发展 低压化成为 压敏电阻的发展趋势 薄膜型的 低压压敏电阻引起的关注较多。研究表明 薄膜压敏材料特殊的 特性来源于晶界效应 目前人们对其晶界层的模拟常采用压敏陶瓷系的掺杂元素 运用其它材料模仿晶界层的研究很少。作为新型宽禁带半导体材料 其特殊的物理、化学性能成为人们研究的热点。 具有电子迁移率高及电子饱和度高、热导率高、抗辐射等优良的性能特点 含有七种晶体结构 。其特殊的结构对应有一定差异的性能。例如涂层具有较高的强度和良好的耐磨性 涂层的显微硬度高达 和金刚石类似。 润滑性好 与石墨类似。 具有较高的电阻率阻态。正是这种高阻态对薄膜型压敏电阻的实现提供可能性。目前 相关研究较多有关 的过渡层薄膜研究较少。研究 薄膜的工艺参数及结构关系 有助于制备性能较优异的电子元器件。综上所述 本研究将采用磁控溅射法制备 薄膜 对其结构进行系统的研究 并且探究氮气含量、负偏压等工艺参数对 叠层薄膜的电性能影响 以获得具有优异压敏特性的叠层薄膜 讨论压敏电阻非线性的相关原理。武汉科技大学硕士学位论文第 页第二章实验方法和表征原理本实验采用单晶抛光 做衬底材料首先对抛光硅 进行严格清洗 之后再利用磁控溅射法制备 薄膜 改变其溅射介质、氮气含量、溅射功率、衬底温度或负偏压等工艺参数。用 表征方法讨论不同工艺条件下薄膜厚度和结构的变化。确定工艺参数与薄膜结构之间的规律后 改变 的结构测量叠层薄膜 特性 以获得优异的低压压敏特性。 样品的制备方法和过程本课题的主要实验过程如下 衬底清洗专薄膜制备 性能测试 实验用到两种衬底 玻璃衬底 、单面抛光 取向。对于玻璃衬底 其清洗方法为 清洗液清洗 乙醇超声波振动清洗 丙酮超声波清洗 对于 衬底 为清除杂质、金属颗粒及有机物等污染物 获得高纯净度 其清洗流程较为复杂 如下所示【 清洗液清洗后用去离子水冲洗 在丙酮中超声振动 。去离子水冲洗。 溶液中超声振动清除表面氧化膜 去金属颗粒 之后用去离子水冲洗 的溶液中超声振动去除碱金属污染 去离子水冲洗 乙醇超声振动 去离子水冲洗 乙醇避光保存 取用衬底时需要用 吹干图 磁控溅射原理图实验采用磁控溅射法制备薄膜 型高真空多功能磁控与离子溅射仪 通过改进 溅射或者 溅射设备上的电极结构 获得磁控溅射法的基础设备。一般是可长时间保持磁性的磁铁放置于靶材的内侧 其磁场方向要垂直于阴极暗区电场方向。这样产生的磁场会约束相关带电粒子的运动 其原理图见 溅射是最常见的溅射方法一般第 页武汉科技大学硕士学位论文为平行板状设置 通常用到的靶材为 电阻率在 以下的非金属靶、金属靶材。 溅射与 溅射相比 可以把导体、半导体、绝缘体中任意一种材料薄膜化。本课题中用射频磁控溅射法 制备 薄膜、直流磁控溅射法 制备 薄膜。磁控溅射的基本原理 在腔体里以将要镀的材料为靶材 将衬底放在托架上。抽至高真空后 充入工作气体 。在两极间施加电场会产生辉光放电 使工作气体心电离产生 。因为靶材底部含有磁场 其会使放电气体的粒子 在磁场的作用下于一定区域内运动而不是在整个腔体内运动 这样可以增大 和电子及中性原子的撞击率 进一步增大工作气体的电离率 保持辉光稳定。这时 受阴极暗区电位作用 将会加速轰击靶表面。靶材表面会溅射出物质微粒 溅射粒子溅射粒子在衬底上沉积形成薄膜。 可变的工艺参数有 基底温度、工作气压、溅射功率、靶基距、负偏压等。通过调节工艺参数 对比不同工艺下薄膜的厚度、速度及结构等 可以更利于分析薄膜之后测得的相关性能。 薄膜结构表征技术及方法 傅里叶变换红外光谱 红外光谱可根据未知物红外光谱中吸收峰的位置、强度及形状 来确定该物质中含有的基团 从而确定该物质的结构。 具有较高的灵敏度、好重复性及准确波数段等。 可分析纳米级薄膜样品。傅里叶变换红外光谱 与传统 相比 具有分辨率高、测量精度高、低杂质辐射和非破坏性等优点 目前这种方法取代瓜分析法 在薄膜材料的定性及定量分析中应用广泛。本实验中采用 分析仪其基本原理为在中红外波长范围内 用连续波长的红外光为光源 当物质与红外光发生作用后 物质中原子会于其平衡位置附近发生振动 从而在周围产生电磁场。这种电磁场的频率在红外波数段 如果有入射的红外光频率与其相同 就会产生强烈的吸收 形成红外吸收光谱。红外吸收峰有以下几个特点 价键越强 吸收频率越高 同一键连接的原子质量愈轻 其振动频率愈高 价键振动引起的偶极矩变化越大 吸收峰强度越大。 薄膜中相关化学键对红外光敏感 不同结构 对应的红外吸收峰见表 由表可知过渡层的红外吸收峰与 类似 当出现 其对应的两个吸收峰发生红移峰宽变大。 是指横光学 偏振模式 符号上代表六方氮化硼平面间 的弯曲振动模式 代表六方氮化硼平面内 键的伸缩振动模式。而且当有 产生时 相应的会有结晶水及 键的红外吸收峰产生【 作为的孵育层 在有高能量粒子轰击的作用下才会产生 一旦 成核 它可以在较低温度、较低溅射功率的情况下成形。武汉科技大学硕士学位论文第 不同结构对应的红外吸收峰 是指吸收峰很强吸收峰较强 吸收峰弱 吸收峰很弱 吸收峰较宽有文献报告不同 相含量的定量分析方法 其指出红外光谱的吸收峰强度与其对应的 相含量成简单的线性关系 】。因此它可以合理的通过红外吸收强度 来估计不同同素异构体相的含量 含量 与各吸收强度公式为 组分的含量‰为组分 对应的峰值 对于六角层的薄膜 轴垂直于衬底表面和面内振动模式相比 面外振动应该对红外光更敏感 因此和定向排列的 相比 的吸收峰比值增大相反如果 轴垂直于衬底表面 比值大大下斛 。由于薄膜内应力影响 的红外吸收峰 会发生红移 一般认为其范围在 之间目前 有文献指出 薄膜中内应力大 一般在 之间。当薄膜厚度超过 这种应力会使薄膜产生裂纹或者从衬底剥落高应力可以通过退火及离子轰击来减小【 对于薄膜由红外光谱图 我们需要考虑以下几点 衬底温度超过 由于在 基底上塑性变形的产生 悬臂弯曲减少 由于 显示 结构 因此需要深入研究应力产生原理及应力减小方法 薄膜内的应力不仅与内部热力学应力有关 还可能与界面及表面应力有关。 射线衍射 是分析晶体结构的重要工具。其具有 非破坏性、高精度等优点。 可以确定物相的结晶性 是否出现衍射峰 强弱如何 及晶体参数 对应晶面峰值出现位置 、晶粒大小和晶格常数。对于薄膜样品 还可以计算其内应力。本课题采用 型衍射仪。 射线其波长九 。基于晶体 射线衍射的基本理论 得出布拉格公式 其含义为 当两相邻晶面的光程差是 射线波长的整数倍时 衍射产生。再结合 在衍射峰出现的位置其面间距 射线的波长九、衍射级数以及衍射角 满足布拉格公式 页武汉科技大学硕士学位论文可运用此公式计算物质特定晶面的面间距。对于晶粒的尺寸可以根据 公式计算吲 常数如果 则取如果 为衍射峰积分高度 为衍射角换成弧度制 。对于规整六角薄膜 取向峰最强面间距 。对于 薄膜 其最强衍射峰峰在 取向 其它几种较弱峰也被检测出 例如 取向 。虽然单个 薄膜 测量较容易 但是其结构中存在的第二相类石墨结构使得分析变得复杂。高结晶性的 很少能在 薄膜中检测出来 在其中占主导地位的为 中常出现的衍射面与石墨结构类似例如 取向 也表示缩写为 这种结构的存在显示了面内有序排列 而面外混乱排序。文献介绍 其典型的 层内间距在 之间 取向在之间 因为 取向的为 取向的晶面间距一般大于 的不同衍射峰的相关参数。表不同 相相关衍射峰参数 扫描电子显微镜 当一束高能的电子束与物质表面原子相互作用后 会被激发产生二次电子、俄歇电子、透射电子、阴极发光、特征 射线和背散射电子 此外还可产生电磁辐射及电子 空穴对、声子、等离子体等 这些信息随着样品表面的相关特征而发生变化。扫描电子显微镜 的工作原理就是采用高能电子束扫描样品表面 通过的接收和处理相关信息来得到表面形貌、成分及晶体取向等方面的信息。 形貌观察是利用样品表面发出的二次电子成像 可以观察任何不规则的原始表面 所观察到的图像富有立体感。对于薄膜样品 可以方便、有效且直接地观察到薄膜样品的表面形貌、表面颗粒大小 以及横截面生长特性和薄膜厚度。本课题采用 武汉科技大学硕士学位论文第 型场发射进行样品截面分析。图 为不同工艺参数下 曲线的测量方法图不同氩气含量下 舢叠层薄膜进行电性能测试由其特殊的 特性图可得以下不同性能参数。图 为叠层薄膜对应的测试示意图。 压敏电压压敏电压又称击穿电压和阈值电压。它是随电流变化时 当电阻由高阻向低阻转变的临界电压。一般对应在击穿区及预击穿区之间的“拐点”。 非线性系数在击穿区的电流和电压间存在非线性特性 对上式取对数、求导可得 由此可知当电流变化率和 变化率的比值越大 则电流对电压变化越敏感 非线性系数越大 相关压敏特性越好。常用的压敏电阻的 【大约在 之间 有人研究出由金属 绝缘体型压敏电阻 页武汉科技大学硕士学位论文漏电流漏电流是指在预计穿区流过的电流 漏电流越小 压敏稳定性越好

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