半導(dǎo)體薄膜的制備實驗的特殊性及教學嘗試Tel: Fax:E-mail:許小亮徐軍劉洪圖1半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試四級物理實驗的宗旨按實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)普遍性、難易程度與學生知識水平相適應(yīng)分為四級實驗一級實驗：基本操作與測量，普及型二、三級實驗：逐步增加綜合性與設(shè)計性實驗的比例及難度，由教師安排，過渡到學生自己設(shè)計實驗，自己準備儀器完成實驗。培養(yǎng)綜合思維和創(chuàng)造能力。四級實驗以科研實踐為主題，以科學研究的方式進行實驗教學，培養(yǎng)學生獨立科研的能力。2半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試達到以上要求的難點

（對三、四級實驗而言）（1）三、四級實驗的對象是理科和物理類學生，有幾百人參加。設(shè)備和師資有限，可能帶來如下問題：設(shè)備總量將嚴重不足實驗周期大大拉長，指導(dǎo)教師工作量大大增加（2）由于增加了具有時代性和先進性的現(xiàn)代實驗，引入了一些大型或高精尖設(shè)備，不可能讓每人得到充分的操作訓練，可能帶來如下問題：實驗設(shè)備少，操作受限；操作規(guī)程過于規(guī)范，束縛思維實驗先進，大大超前理論：知其然不知其所以然實驗標題及方法固定，實際上就難以切入真正的科研3半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試下是計算機部分演示一、ZnO透明導(dǎo)電薄膜和金屬電極的制備(1)預(yù)備知識：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性（為沒有學過“固體物理”的學生準備,另有演示,此處從略）半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),晶格、晶向、晶面和它們的標志,半導(dǎo)體的幾種常見結(jié)構(gòu)（金剛石型結(jié)構(gòu)，閃鋅礦、纖鋅礦結(jié)構(gòu)，氯化鈉結(jié)構(gòu)）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶:原子的能級和晶體的能帶（導(dǎo)帶，禁帶和價帶）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級，間隙位與替位位，施主與受主，補償，n型與p型半導(dǎo)體，缺陷與位錯，半導(dǎo)體中的摻雜ZnO薄膜的制備5半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試透明導(dǎo)電ZnO薄膜及

金屬電極的制備演示

中國科學技術(shù)大學物理系薄膜制備及性能測試實驗室6半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試實驗內(nèi)容介紹三.金屬電極制備

四.磁控濺射制備ZnO薄膜五.相關(guān)準備工作----化學清洗和靶材制備

二.ZnO薄膜的基本性質(zhì)一.薄膜材料簡介7半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試二、ZnO薄膜的基本性質(zhì)

幾種寬禁帶半導(dǎo)體基本性質(zhì)比較

9半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試

1、真空蒸發(fā)原理：真空條件下---蒸發(fā)源材料加熱---脫離材料表面束縛---原子分子作直線運動----遇到待沉積基片---沉積成膜。

2、真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（1）真空鍍膜室（2）真空抽氣系統(tǒng)（3）真空測量系統(tǒng)

三、真空蒸發(fā)制備金屬電極10半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試旋片泵結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖11半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖13半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試熱偶規(guī)工作原理：一對熱電偶A、B與一對加熱鎢絲焊接在一起，在電流恒定不變時，熱絲溫度取決于管內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率K，K正比于分子平均自由程和氣體濃度.在-1托至-4托范圍內(nèi),隨著真空度的提高,電偶電動勢也增加,因而可由熱電偶電動勢的變化來表示管內(nèi)氣體的壓強.(需要注意的是,當真空度更高時,由于熱傳導(dǎo)非常小,電偶電動勢變化不明顯時,就需要改用其它方法測量了)真空測量系統(tǒng)----熱偶規(guī)14半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試熱陰極電離規(guī)工作原理:從發(fā)射極F發(fā)射出電子,經(jīng)過柵極G使電子加速,加速電子打中管內(nèi)氣體分子時,使氣體分子電離,正離子被收集極C吸收,收集極電路中的微安表記錄正離子流Ii的變化,而電子流在柵極附近作若干次振蕩后被柵極吸收,由柵極電路中的毫安表記錄電子流Ie.需要注意的是:真空度低于-3托時不能用電離規(guī)直接測量,原因是在低真空條件下,加熱的燈絲容易氧化而燒斷.真空測量系統(tǒng)----熱陰極電離規(guī)15半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試濺射原理：

所謂濺射，就是向高真空系統(tǒng)內(nèi)加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強電場的作用下電離而產(chǎn)生輝光放電。氣體電離后產(chǎn)生的帶正電荷的離子受電場加速而形成為等離子流，它們撞擊到設(shè)置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子形式與反應(yīng)氣體分子形成化合物的形式沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）四、磁控濺射法制備透明導(dǎo)電ZnO薄膜17半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試磁控射頻濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試磁控射頻濺射工作原理

洛侖茲力：F=q(E+vB)19半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試

1、靶材概述

2、靶材技術(shù)要求

3、靶材制備方法5、制靶工藝4、制靶工具---粉末壓靶機6、靶材與底座的連接實驗準備工作二：靶材制備21半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試實驗思考題1、簡述真空蒸發(fā)的原理及工藝過程；2、真空蒸發(fā)實驗中鎢絲和基片的清潔處理；5、簡述分子泵工作原理及使用注意事項；6、簡述磁控濺射工作原理；3、簡述熱電偶規(guī)工作原理及使用注意事項；4、簡述熱陰極電離規(guī)工作原理及使用注意事項；7、簡述在濺射過程中所通氣體的作用；8、簡述在濺射過程中濺射功率的調(diào)節(jié)及注意事項；9、簡述化學清洗的方法及一般程序；10、簡述靶材的技術(shù)要求及制備工藝過程。22半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試場景對話：實驗過程的一般描述及問答

(多數(shù)未列入實驗指導(dǎo)書和計算機演示中）

描述一：打開裝置說明各部分的用途 問物理原理，請自己總結(jié)問題描述二：調(diào)節(jié)儀器說明其作用 請紀錄和自己總結(jié)問題描述三：提示學生觀察實驗現(xiàn)象 請紀錄和自己總結(jié)問題以上三部分的描述必須體現(xiàn)在實驗報告中。23半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試B、ZnO薄膜的制備1、為何要用分子泵—機械泵兩級真空系統(tǒng)？2、分子泵的工作原理？它與擴散泵的差別？3、磁控濺射原理及問題（1）直流磁控與射頻磁控濺射的差別（2）磁控濺射中磁場與電場的共同作用下帶電粒子的運動方式

25半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試描述二：A、金屬電極的制備：注意真空蒸發(fā)調(diào)節(jié)中的細節(jié)1、真空泵及測量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物，密封圈有無縱向劃痕？檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好？注意擴散泵的開機時機，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥真空計測量時間的選擇2、加熱鎢絲蒸發(fā)源時的注意事項開啟蒸發(fā)源前為何要關(guān)閉真空計？蒸發(fā)電流為何要慢慢增加？26半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試BZnO薄膜的制備1、真空泵及測量裝置的開啟流程：檢查系統(tǒng)的漏氣情況，尤其檢查鐘罩密封圈有無纖維等異物檢查電路及供水系統(tǒng)是否完好注意分子泵的開機時機，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各真空閥2、氣體流量的設(shè)定根據(jù)實驗要求設(shè)定濺射氣體與反應(yīng)氣體及其質(zhì)量流量比,本實驗中用氧化鋅粉末靶，為什麼還要加氧氣作為反應(yīng)氣體？3、實驗控制參數(shù)的設(shè)定濺射功率、forward與reflected功率比調(diào)節(jié)及其意義。27半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試描述三：A、金屬電極的制備：1、對真空現(xiàn)象的觀測及處理啟動機械泵后持續(xù)有沸騰聲并排出大量白色煙霧，應(yīng)如何處理？關(guān)擴散泵后為何要維持長時間的通水？在觀察熱偶規(guī)及電離規(guī)時，若指針來回擺動意味著真空系統(tǒng)有何問題，如何解決？有時電離規(guī)不能啟動，但測量燈絲未斷，是否需要更換新的電離規(guī)？或檢查真空儀器是否損壞。29半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試2、熱蒸發(fā)注意事項用鋁絲掛在鎢絲制成的熱蒸發(fā)器上進行加熱蒸發(fā)為何有時不能形成所需要的持久的液滴？解決方法是什麼？用高溫測量儀觀測熱絲溫度時為何需要潔凈的觀察窗？擋板打開的時機？在鍍膜結(jié)束時為何需等待蒸鍍金屬完全熔化干凈？B、ZnO薄膜的制備1、Forward與reflected功率之和為何與與電源輸出功率有一定差異？當差異較大和指針擺動時意味著將要采取何種措施？30半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試2、膜厚監(jiān)測中突然出現(xiàn)膜厚數(shù)值的迅速增加或“晶無效”時如何解決？為什麼需要在平時就測定各種濺射功率下的薄膜生長速率？3、當用鋅金屬靶與氧氣進行反應(yīng)濺射時，會出現(xiàn)那些問題？有時靶片沸騰而迅速蒸發(fā)，同時壓強控制儀失靈的原因是什麼？4、在對真空室進行通氣時為何要關(guān)閉分子泵？在分子泵減速時，將真空室與分子泵之間的真空閥微開有何作用？31半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試評分標準：1.教員對學生在實驗過程中的印象（10%）；2.實驗報告中是否體現(xiàn)了三個描述（70%）；3.是否能提出新的問題（10%）；4.是否有獨立思考和創(chuàng)新（10%）。32半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試如何切入科研實踐

1．時機的把握：(a)利用學期近結(jié)束時的開放時間安排，(b)啟發(fā)學生自己提出要求。2．教員確立一個方向和科研實踐所應(yīng)達到的水準，安排學生討論和調(diào)研3．調(diào)研后由學生做實驗設(shè)計報告，論證后安排實驗33半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試Si襯底表面氮化硅薄膜的生長

-----四級物理實驗的學生設(shè)計

劉洋1劉錦濤1閆叢璽1劉科1徐季東1董磊1李強1張靜1朱軍1徐生年1許小亮2

1：安徽合肥中國科學技術(shù)大學天文與應(yīng)用物理系00級

2：安徽合肥中國科學技術(shù)大學物理系（指導(dǎo)教員）

34半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試教員指導(dǎo)下的學生討論與調(diào)研重要性：以硅為襯底生長ZnO基疊層薄膜是寬禁帶半導(dǎo)體光電器件的研究中非常重要的一環(huán)生長緩沖層的必要性迄今為止各種緩沖層的利與弊以某國外專利為藍本，討論SiNx緩沖層的優(yōu)點以及制作方法，專利上的制作方法為MBE法，建議同學調(diào)研并確立適應(yīng)于我們的濺射法的制備工藝35半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試緩沖層的作用最大限度地減少界面態(tài)

減少異質(zhì)襯底與薄膜間的應(yīng)力

提高薄膜的晶體質(zhì)量和電學輸運及發(fā)光效率

36半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試在生長緩沖層方面國際上通行的方法

1、SiO2薄層，Zn薄層和ZnO緩沖層

這些方法都存在一定的缺點，比如SiO2薄膜不夠平整，從而生長的ZnO也不夠平整，結(jié)晶度較差；在Zn緩沖層上再生長ZnO薄膜，緩沖層會部分氧化，呈現(xiàn)出非常高的n型導(dǎo)電性質(zhì)，不利于器件設(shè)計；低溫生長ZnO緩沖層同樣會在襯底和緩沖層中出現(xiàn)大量的缺陷和層錯，效果仍不理想。2、氮化硅緩沖層

日本研究人員的方法是：將硅片置于MBE系統(tǒng)中，襯底保持600-700oC，在系統(tǒng)中通入0.6sccm的NH3,用射頻方法產(chǎn)生等離子體激發(fā)反應(yīng)生成氮化硅薄膜。同時他們還建議使用其它含氮的反應(yīng)氣體，比如N2，NO2等。37半導(dǎo)體薄膜的制備和性能測試實驗的特殊性及教學嘗試日本研究人員方法的缺點

1、用的是MBE法生長ZnO及疊層材料，雖然技術(shù)先進，但設(shè)備過于昂貴，對生長技術(shù)要求較高，難于推廣普及。2、用NH3作為反應(yīng)氣體生長氮化硅緩沖層也有缺點，在N2與Si反應(yīng)生成氮化硅的同時，也有大量的H進入了Si襯底中形成Si:H和SiNx:[H]復(fù)合體，在這樣的緩沖層上再生長ZnO基薄膜時，由于有一定的溫度，這樣的復(fù)合體很容易鍵解。H擴散入ZnO中，它具有較強的自補償作用，使受主鈍化，失去活性；3、其它含氮的氣體，如N2，因為離化能太高，所以生長的氮化硅薄膜中的N很可能是以分子形式存在，使薄膜吸附很多的N2雜質(zhì)，同時因為N2分子