介质薄膜的性质,半导体薄膜的性质学习资料

介质膜的本征击穿 本征击穿由电击穿和热击穿共同作用完成。
✓ 电击穿是介质膜中载流子在临界电场作用下产生电子 倍增而形成的击穿。
✓ 电击穿时电子雪崩式增加，产生大量焦耳热，介质膜 温度迅速上升，介质膜电导随温度上升指数型增加， 进一步导致电流增大，最后造成局部地区产生热分解、 挥发或熔化，促成热击穿。
高温下为本征电导，中低温时
不同温度范围激活能不同。
➢ 介质薄膜的击穿
当施加到薄膜上的电场强度达到某一数值，它便立 即失去绝缘性能，这种现象叫做击穿。 ✓ 从击穿对薄膜造成的影响分类 1）如果击穿电场持续加在薄膜上，将有较大电流通 过将其烧毁，这种击穿成为硬击穿。
2）有些介质膜在击穿时并不烧毁而是长期稳定的工 作维持低阻态，这种膜的击穿成为软击穿。 ✓ 从击穿机理分类 1) 由于外加电场引起的击穿称为本征击穿 2) 因薄膜缺陷引起的击穿称为非本征击穿
五、介质薄膜的铁电效应
✓ 铁电体：某些晶体在一定温度范围内具有自发极化， 且这种自发极化方向可以随着电场方向而变化。
✓ 铁电体的特征： ① 具有电滞回线（极化强度P和外电场E间的特定关系） ②存在一个临界温度，即铁电居里温度 ③其介电性、热学、光学、弹性性质在在临界温度附近
出现反常现象。 目前研究较多的铁电薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3
9.3 介质薄膜的电学性质 9.4 半导体薄膜的性质 9.5 薄膜的其他性质
2015.05.26
9-3 介质薄膜的电学性质
介
一、绝缘性质
质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
薄
二、介电性质
膜 电
三、压电性质
学
四、热释电性质
性
质
五、铁电性质
一、介质薄膜的绝缘性质
介质薄膜绝缘性能的研究主要是为了制作薄膜电子 元器件中的绝缘层。对绝缘性能的研究主要是电导和 击穿特性
✓ 带电粒子在应力作用下发生相对位移而极化，在晶体 两端产生符号相反的束缚电荷，电荷密度与应力成线 性关系。这种由于应力作用使表面产生极化电荷的现 象称为正压电效应。
✓ 当晶体受到电场作用时在它的某个方向发生应变，且 应变与场强成线性关系，称为负压电效应。 这两种效应综合在一起称为压电效应。目前应用最 多的压电薄膜有ZnO和AlN
➢ 介质薄膜的损耗
对薄膜施加交变电场后，由于电导和极化方面的 原因，必然产生能量损耗，用损耗角δ的正切值 tanδ（%）表示
介质薄膜的损耗由三部分构成
✓ 电导损耗。在低频下比较显著。
✓ 弛豫型损耗。与交变电场频率有密切关系， 高频显著。
✓ 非弛豫型损耗。由膜内不均匀性造成，与频 率几乎无关。
三、介质薄膜的压电性质
生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题：
(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性 外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影 响。在CVD法制膜过程中：
1）气流速度过快，会形成不稳定的紊流，外延 膜中间厚，边缘薄；
➢ 压电薄膜的结构
为了产生极化电荷，要求： （1）离子晶体 （2）晶体结构没有对称中心 （3）所选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结构闪锌矿或者
六方晶结构纤锌矿。
➢ 压电性能参数 ✓ 机电耦合系数κ
✓ 压电系数d 单位应力作用下产生的极化强度或者单
位电场作用下产生的应变
✓ 机械品质因数Qm 描述压电材料在谐振时机械能损
耗的数量
✓ 电学品质因数Qe 描述损失的交变电流能量
无功电流
有功电流
四、介质薄膜的热释电性质
✓ 具有自发极化的晶体被加热时表面上出现电 荷的现场称为热释电效应。 当给热释电晶体施加电场时，会引起晶体温 度的变化，这称为电卡效应。
✓ 热释电晶体要求具有自发极化型，且结构上 没有对称中心。
1. 硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜 3.Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体薄膜 4.Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体薄膜。
1. 硅外延薄膜
所谓“外延”(epitaxy)就是原子以单晶形式 排列在单晶基体上，使最后形成的薄膜层的晶 格结构恰好是基体晶格结构的延续(外延)。
硅外延薄膜是通过化学气相沉积法(CVD) 制造的。厚度在1m到20 m之间变化。
常见介质膜的击穿场强
对于同一种介质膜，因制造方法不同其击穿场强有 较大的区别，产生这种差异的原因是不同制造方法 在介质薄膜制备过程中产生的针孔、微裂痕、纤维 丝和杂质缺陷等不同。
二、介质薄膜的介电性质
作为薄膜电容器使用时，其电学性质主要研 究的是介电常数和介质损耗。 ➢ 介质薄膜的介电常数 根据极化性质的不同，将介质薄膜分为极化 型介质薄膜和非极化型介质薄膜。
➢ 介质薄膜的电导
在测量介质薄膜的电导时，需在介质膜的两面制作电 极，形成金属一介质一金属(MIM)结构，只有在电极 与介质的接触是欧姆接触时，测出的电导才是介质膜 的电导。
1．介质薄膜电导的分类
1)按载流子的性质：可分为离子型电导和电 子型电导。通常两种同时存在。
2)按载流子的来源分，离子电导和电子电导 都有两种来源：一种是来源于介质薄膜本 身的，称本征电导；另一种是由膜中的杂 质和缺陷引起的电导，称为杂质电导或非 本征电导。
由于极化强弱与介质薄膜中总电荷数以及电 荷间相互作用强弱有关，所以介质薄膜介电 常数与原子序数有关。
介电薄膜的温度系数也是其介电性能的重要参数。 ①
在测量温度系数时必须在介质膜上制备欧姆接触电极， 构成一个片状电容器。在测量电容器温度系数后再推求 出介电常数的温度系数
②
③
③式中αd为薄膜厚度热膨胀系数，可直接测出。
2．介质膜的电导与场强和温度的关系
1)通常在低场强(E<105V／cm)下，离子电导符 合欧姆定律；例如当介质膜用于电子元器件 中作为隔离层或保护层使用时的情况。
2)而在高场强(E>106V／cm)下，电导为非欧姆 性的；例如介质膜用作电容器中的工作介质 时的情况。
3)在一般电场条件下,介质薄膜
的电导率随温度升高而增加。
9—4 半导体薄膜的性质
➢ 半导体薄膜的发展与半导体器件及集成电路 的发展有着密切的关系，在各种半导体材料 中，半导体薄膜占有非常重要的地位。
➢ 首先得到应用的半导体材料就是半导体薄膜。 (氧化亚铜整流器、锗整流器件)
本节仅就单晶、多晶、非晶和氧化物半导体薄 膜等四种材料的性质作些扼要介绍。
一、单晶半导体薄膜