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视谥票复竺婊∧ぃ蚨且恢趾苡星巴镜牟牧稀4送猓挥蠽族化合物半导体如GaAs带隙为1。43eV时,正好能够高效吸收太阳光谱,且为直接跃型吸收,吸收系数大,如用GaAs与(GaAl)As异质结构成太阳能电池,转换率可达20%以上,但目前仅达百分之十几。对I…VI族半导体如CdS…CdTe等太阳能电池也进行了研究,得到了约10%转换效率。理论上太阳能电池的转换效率可达30%,目前实验室达到的最高水平为20%,一般仅为10%左右。
能源是世界性的大问题,因此太阳能电池的研究一直是一个活跃领域。此外,将太阳能转换为热能的集热器,为了增加光的吸收,减少热发散也需要在表面镀膜,对这类膜也进行了不少研究。薄膜场致发光材料(TFEL)薄膜场致发光是利用外加电场加速载流子,与晶格发生非弹性碰撞激发而引起发光。这种光过程效率不高,为提高发光效率,并使发光波长能有所选择,一般在半导体薄膜中加入活性中心,当被电场加速的电子与这些发光中心碰撞时就会将其激发,发出光来。对场致发光薄膜材料进行过不少研究,其中以ZnS中加入锰的薄膜发光效率最高,并且已经广为应用。TFEL根据激励方式可分为两种:交流激励型和直流励型。
六、电学薄膜
利用材料的导电性、介电性、铁电性、压电性等各种电学性质的薄膜有着广泛的用途。例如,在微电子器件中,集成电路中的电极布线、电阻、电容元件,各种不同用途的电极、位置敏感控测器等都要用导电薄膜。绝缘膜则用于半导体集成电路多层引线的层间绝缘和门绝缘,以使器件表面稳定,保护器件不受外部环境影响。
1、集成电路(IC)中的布线? ? 集成电路中的电极布线都是用导电膜做成,作为IC电极布线膜必须具备与n型和p型硅基片能形成低电阻欧姆电极,电阻率低,与绝缘膜结合力强,以及好的加工性、耐蚀性等。很难同时找到在这些方面都具有很好性能的材料,通常集成电路中都采用铝做布钱材料,但铝也存在不少缺点,如迁移率高、耐蚀性差等,常需加入一些合金元素如铜、硅等来改善性能。掺杂多晶硅或金属硅化物如MoSi2等也可用做布钱材料,在高密度组装和高集成化时要考虑使用高熔点金属如钨、钼等做布线材料。
2、秀明导电膜? ? 透明导电膜是既有高的导电性,又对可见光有很好的透光性,而对红外光有较高反射性的薄膜。透明导电膜主要有金属膜和氧化物半导体膜两大类。
(1)金属透明导电薄膜? ?当金属膜的厚度在约20nm以下时对光的反射和吸收都较小。由于金属薄膜中存在自由电子,因此在膜很薄时也具有很好的导电性,且在基片温度较低时就可制备出低电阻膜。常见的金属透明导电膜有金、银、铜、铝、铬等。为了制备平滑连续的膜,需要先镀一层氧化物做衬底,再镀金属膜。金属膜的强度较低,其上面常要再镀一层保护层如SiO2或Al2O3等。
(2)氧化物半导体透明导电膜? ?
??这类导电膜主要有SnO2、In2O3、ZnO、CdO、Cd2SnO4等,它们都是n型半导体。对这种导电膜要求禁带宽度在约3eV以上,且通过掺杂可使其具有高的载流子浓度以得到高的导电率。目前,应用最广泛的是SnO2和In2O3薄膜。作为半导体材料,化学计理比的SnO2膜电导率很低,为增加电导率需要加入一些高价离子如Sb5+、P5+等。这样得到的膜导电性好,对可见光有优异的透光性,强度和化学稳定性都很好,加之成体低,因而得到广泛应用。根据不同要求可采用CVD、PVD乃至喷涂法来制备。
经过掺杂的In2O3的透光性和导电性均优于SnO2,因而近年来得到比SnO2更为广泛的应用。化学计量比的In2O3膜,其电导率也很低,为增加电导率需要添加一些锡,通常将这种膜称为ITO(铟锡氧化物)薄膜,主要是用真空蒸镀或溅射等PVD法来制备,以在较低温度得到高性能膜。
透明导电膜(主要是SnO2和ITO)具有很广泛的用途,例如用于液晶显示器件及太阳能电池的透明电极,由于对红外线具有反射能力而被用作防红外线膜、太阳能集热器的选择性透射膜、玻璃上的防霜透明发热膜等。
3、绝缘膜? ? 在薄膜电子器件中的绝缘均需要使用各种绝缘膜,例如在半导体集成电路中多层引线的层间绝缘和门绝缘。集成电路中,绝缘主要采用热氧化SiO2膜、等离子体CVD制备的SiO2膜和Si3N4膜等,Si3N4膜由于耐水性和耐污染性能好,硬度高,用来做集成电咱的何护膜。随着超大规模休成电路的发展,对绝缘膜不断提出更高的要求,例如要求制备的SiO2栅绝缘膜仅几纳米厚。目前正在研究应用Ta2O5等更高介电常数绝缘膜。
半导体器件根据不同用途所使用的绝缘膜除SiO2膜、Si3N4膜外,还有PSG(硅酸磷玻璃)膜、BSG(硅酸硼玻璃)膜、AsSG(硅酸砷玻璃)膜、Al2O3膜等。应该注意的是绝缘膜的电阻率和耐压等性能会随制备工节参数而改变。
4、压电薄膜材料? ?? ?在离子晶体中施加应力时产生的极化现象称为压电效应,而在施加电场时产生应变的现象称为逆压电效应。利用这一效应的压电振子和换能器通常采用石英、LiNbO3、LiTaO3等单晶或压电陶瓷,其共振频率决定于材料中的声速及形状尺寸,用于高频的元件就要通过研磨制成薄板,对于10MHz以上的元件因无法研磨得太薄而必须采用压电薄膜。压电薄膜材料主要是用各种PVD方法制备的ZnO、CdS等薄膜,其中ZnO通过控制工艺条件得到C轴(压电轴)取向的薄膜。压电性能不低于单晶ZnO。压电薄膜材料已经在滤波器、超声波发送、接收器件等很多方面得到了应用。固体中声波在表面的传播称为表面声波(SAW),利用压电薄膜材料制作的SAW器件使得传统电感电容滤波器电路能够代之以固体器件,并已大量应用于电视接收机的视频中频(VIF)滤波器。电视VIF滤波器要求的频率特性较复杂,以前是采用多个LC谐振电路和和陶瓷滤波器组合而成,而采用SAW滤波器容易实现高频、宽带、线性相位特性,只需一个器件就可实现所要求的频率特性。ASW滤波器是在压电基片上制出相互交叉的叉指薄膜电极而成。电视中用的压电基片主要是沉积在玻璃上ZnO、LiNbO3、LiTaO3等薄膜,另外,有人通过在蓝宝石上外延生长ZnO膜,可以使表面波传播衰减降低,可用来制吉赫兹频带的换能器。
纳米技术制备功能膜已有许多成功先例,例如,纳米自清洁玻璃的镀膜,在玻璃上镀上一层TiO2膜,可以使玻璃不沾油污、灰尘;在陶瓷、塑料上镀一层纳米膜可以使之抗菌、防霉;在纤维上镀一层纳米膜可以使该纤维织成的领带、衣物达到高双疏效果,即疏水和疏油。自组装纳米膜传感器是纳米自组装技术应用最多、潜力很大的一个领域。
纳米技术及纳米材料在功能膜方面的应用极为广泛,包括电子学的单电子晶体管、纳米阵列电容电极探测仪、光学中的纳米阵列激光器、纳米荧光膜;磁学中的高密度存储元件、量子磁盘;环保中的纳米过滤膜、纳米吸附膜。纳米传感器、纳米药物智能释药等等。
纳米技术在功能膜上的应用只是刚刚开始,随着纳米技术的进步,人类将会制造出越来越多的功能膜,并造福于人类。