纳米薄膜的外延生长共29页
纳米膜的制备方法PPT演示文稿
• 真空蒸发沉积的过程：
• 1. 蒸发源物质由凝聚相转变为气相； • 2.在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输
运；
• 3. 蒸发粒子到到基片后凝结、成核、
长大、成膜
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• 采用真空沉积镀膜技术，在玻璃
表面形成纳米级微孔结构的二氧化钛 光催化薄膜，在阳光的作用下，产生 电子空穴对，以其特有的强氧化能力， 将玻璃表面的几乎所有的有机物完全 氧化并降解为相应的无害无机物，在 雨水冲刷下便可自洁，从而对环境不 会产生二次污染，同时使玻璃表面具 有超亲水性，从而使玻璃表面具有自 洁、防雾和不易被再被污染的功能。
纳米薄膜材料的制备
• 1.模板法 • 2.分子束外延法 • 3.真空蒸发法 • 4.化学气相沉积法 • 5.其他方法
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1.模板法合成纳米薄膜 • 纳米颗粒的形成一般可分为两个阶
段：
• 第一是晶核的生成。 • 第二是晶核的长大。
2
• 要制备粒径均匀，结构相同的
纳米颗粒，相当于让烧杯中天文数 字的原子同时形成大小一样的晶核， 并且同时长大到相同的尺寸。因此 为了得到尺寸可控，无团聚的纳米 颗粒，必须找到有效的“窍门”， 来干预化学反应的过程。
3
4
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2.分子束外延法
• 分子束外延（MBE）技术主要是一种
可以在原子尺度上精确控制外延厚度、 掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备 技术。
• 所谓“外延”就是在一定的单晶体材
料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面 向外延伸生长一层单晶薄膜。
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• 分子束外延是在超高真空条件下，
精确控制原材料的分子束强度，把 分子束射入被加热的底片上而进行 外延生长的。由于其蒸发源、监控 系统和分析系统的高性能和真空环 境的改善，能够得到极高质量的薄 膜单晶体。
纳米薄膜的特性及应用(共11张PPT)
第七页，共11页。
4.气敏性
薄膜元件对甲醇、乙醇和正
丙醇的响应．恢复特性曲线如 图6所示。元件对体积分数为
0．003％甲醇、0．007％乙醇
和0．002％正丙醇的响应时间
分别为l8、32和22s；恢复时间 分别为38、40和36s。气敏性
ｎ左右才能回到起始电阻．而在低氧压中退火得到的薄膜（图4（ｂ））则表现出
较好的光电响应,响应时间短，响应度较大（光生电流／暗电流)．
第六页，共11页。
4.气敏性
ZnO纳米薄膜气敏性[5]
在室温条件下对20层氧化锌 纳米粒子薄膜进行了气敏性能测 试．图5为敏感元件的灵敏度与不 同链长醇类气体浓度变化的关系 曲线。从图中可以看出．随着气 体浓度增加，元件的灵敏度也相 应增大。对3种醇气氛的灵敏度按 正丙醇、甲醇、乙醇的顺序递减。 这与气体分子的体积和其自身的 推电子效应有关。
低基片摩擦系数,具有较好的耐磨性能.
第四页，共11页。
2.压阻特性
多晶硅纳米的压阻特性[3]
基于隧道压阻效应的多晶硅压阻特
性的修正模型，等效电阻如图3所示，
其中Rt(热电子发射电流决定的发射电 阻）是能量大于势垒高度的空穴电流
通路；Rf是隧道电流决定的隧道电阻，
为能量小于势垒高度的空穴提供的电阻，
能测试结果表明．氧化锌薄膜
型气敏元件在室温下对醇类气
体具有较好的灵敏性和较快的
响应．恢复特性，可以作为室 温气敏材料进行开发利用。
图6. ZnO薄膜对CH3OH、C2H5OH、 C3H7OH的响应-特性曲线
第八页，共11页。
5.催化特性
RuO2/TiO2 纳米薄膜催化特性[6]
半导体材料外延生长精品PPT课件
不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但 一般来说，都由以下几部分组成：
Ⅱ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、 Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、 Ga(C2H5)3等，
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉
Tri-methyl-gallium TMG．TMGa
卤化物法外延生长GaAs
Ga/AsCl3/H2体系气相外延原理及操作
高纯H2经过AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸气携带入反应室中，它们在 300~500℃的低温就发生还原反应，
4AsCl3 + 6H2 = As4 + 12 HCl 生成的As4和HCI被H2带入高温区(850℃)的Ga源(也称源区)处，As4 便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga饱和以前，As4不流向后 方。
半导体材料
III-V族化合物半导体的外延生长
第七章 III-V族化合物半导体的外延生长
内容提要：
气相外延生长VPE 卤化物法 氢化物法 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
气相外延生长
气相外延生长(vapor phase epitaxy, VPE) 发展较早，主要有以下三种方法： 卤化物法 (Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法 (Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机外延法
金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)自20世 纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的 发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子 材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮 化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。
硅外延生长PPT课件
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
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5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以
看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
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雾状表面缺陷 ①雾圈
纳米薄膜的外延生长
外延生长的纳米薄膜具有晶体质量高 、完整性好、界面清晰、晶体取向一 致等优点，广泛应用于电子、光学、 磁学等领域。
历史与发展
早期发展
当前进展
20世纪60年代，人们开始研究外延生 长技术，主要应用于半导体材料的外 延生长。
目前，纳米薄膜外延生长技术已经广 泛应用于各种材料体系，如半导体材 料、氧化物材料、铁电材料等。
光学滤镜和反射镜
通过外延生长不同折射率的薄膜， 可以制作出高性能的光学滤镜和 反射镜，应用于光学仪器、摄影 等领域。
在生物医学中的应用
生物传感器
利用外延生长的纳米薄膜可以制作出高灵敏度和选择性的生物传 感器，用于检测生物分子、细胞和微生物等。
药物输送
通过外延生长技术将药物分子嵌入纳米薄膜中，可以实现药物的 精准输送和治疗。
基底材料的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜的附 着力和均匀性。
基底材料的导热性能和热膨胀系数对生长温度和 薄膜质量有影响。
生长温度的影响
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生长温度是影响纳米薄膜外延生长的关键因素之 一。
2
温度的高低直接影响到原子或分子的运动速度和 扩散能力，从而影响薄膜的生长速率和晶体结构。
3
在适宜的温度范围内，提高生长温度可以促进原 子或分子的扩散和迁移，有利于薄膜的生长。
探索纳米薄膜在新能源、生物医学、环境治理等新兴领域的应用， 开发具有市场潜力的新产品。
跨学科合作
加强与其他学科领域的合作，推动纳米薄膜在交叉学科中的应用研 究，拓展应用领域。
国际化合作与交流
加强国际合作与交流，引进先进技术和管理经验，提高纳米薄膜外 延生长的国际竞争力。
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成核
在原子吸附的基础上，通过扩散和迁移，原子聚集形成晶核，进而发展成为完 整的晶体结构。
第五章 硅的外延薄膜的生长
第五章硅的外延薄膜的生长外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5∼20微米)的方法。
如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。
在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。
在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。
这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。
外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。
外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。
在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。
液相淀积在制造Ⅲ−Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。
正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。
发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。
通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。
低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。
最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。
这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3∼7微米)轻掺杂的外延层中。
这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。
在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。
但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。
在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。
外延淀积基础这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。
《纳米薄膜》幻灯片PPT
化学气相沉积的优点
可以准确地控制薄膜的组分及掺杂水平； 可在复杂形状的基片上沉积成膜； 系统不需要昂贵的真空设备； 化学气相沉积的高沉积温度会大幅度改善晶体的结晶完整 性； 可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他 方法无法得到的材料； 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进展。
一般化学气相沉积中所遇到的一些典型的化学反响
分子束外延
在超高真空条件下，由装有各种所需 组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔 准直后形成的分子束或原子束，直接喷 射到适当温度的单晶基片上，同时控制 分子束对衬底扫描，就可使分子或原子 按晶体排列一层层地“长〞在基片上形 成薄膜。
分子束外延的特点
优点： 〔1〕由于系统是超高真空，因此杂质气体〔如剩余气体〕
〔1〕热分解制备金属膜 SiH4〔气〕→Si〔固〕+2H2〔气〕
〔2〕复原反响 SiCl4〔气〕+2H2→Si〔固〕+4HCl〔气〕
〔3〕氧化反响制备氧化物 SiH4〔气〕+O2 〔气〕→SiO2〔固〕+2H2〔气〕
〔4〕氮化反响和碳化反响制备氮化物和碳化物 3SiH4〔气〕+4NH3(气〕 →Si3N3〔固〕+12H2〔气〕
不易进入薄膜，薄膜的纯度高。 〔2〕外延生长一般可在低温下进展。 〔3〕可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。 〔4〕对薄膜进展原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的
生长级性质。 缺点： 设备昂贵，维护费用高，生长时间过长，不宜大规模生产
分子束外延装置
二、薄膜制备的化学方法
热生长 化学气相沉积 电镀 化学镀 阳极反响沉积法 LB技术
在阳极反响中，金属在适当的电解液中做阳极， 而金属或石墨作为阴极。当电流通过时，金属阳极 外表被消耗并形成氧化层，换句话说，氧化物生长 在金属阳极外表。
薄膜生长技术
N s nx dvx
vg
（2）
2、输运 若HWE是在CdTe源温800K下进行，组分的蒸气压最高为 100Pa的数量级。所以把Cd和Te的蒸气都视为理想气体。在 理想气体混合物中，任一组分气体的化学势，即为同温度时该 气体在组态时的化学势
i i0 (T ) RT ln Pi
在源处Cd组分的化学势为
在CdTe淀积时，气相中的Cd和Te2被衬底吸附后，在相变驱动 力作用下，由气态的CdTe变成固态的CdTe，这一过程是升华 的逆过程，可用下式表示
1 Cd ( g ) Te2 ( g ) CdTe ( g ) CdTe ( s) 2
（14）
4、成核 考虑一种稳定生长的简单情况。即源材料没有损失，只在衬底 上淀积。则单位时间内被衬底吸附的分子数等于单位时间内从 源升华的分子数。在这种情况下，成核率，即单位时间，在单 位衬底表面上的CdTe的晶核数可表示为
MOCVD 技术基础
基本原理
（1）使用的原材料 （2）热力学分析
使用的原材料
ARn + BHn → AB + nRH A、B是组成外延材料的元素， R是有机基团。 常用的A组分有Ga, In, Al, Mg, Zn,一般为： TMGa, TEGa, TMIn, TEIn, TMAl, TEAl, Cp2Mg (C2H5)2Mg, DMZn, DEZn. 常用的B组分通常采用其氢化物，例如AsH3, PH3, NH3, SiH4, H2Se等。
晶体生长速率不随温度
变化，但材料的性质、 掺杂特性等参数受温度
影响较大 。
热力学分析
3.在更高的温度范围内， 晶体的生长速度随温度 的升高而降低，这是由 于在此温度下，热力学
纳米技术资料PPT演示文稿
乙醇混合形成溶胶，用玻璃（SiO2）衬板浸入溶 胶后进行提拉（提拉速度<10-1mm/s），再在 100℃温度下干燥成膜，经过450～650℃氢气中 还原处理100分钟左右，就可以获得纳米Cu膜。
纳米科技
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溶胶-凝胶法
优缺点：
如果把两亲媒性平衡的物质溶于苯、二氯甲烷 等挥发性溶剂中，并把该溶液分布于水面上，待 溶剂挥发后，就留下了垂直站立在水面上的定向 单分子膜，这种在水面上的单分子，上端呈亲油 性（疏水性），下端呈亲水性。
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纳米科技
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磁控溅射法
磁控溅射是溅射镀膜中的一种，所谓溅射是 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，射出的粒子大多呈原子 态，称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以 是电子、离子或中性粒子，因为离子可以在电场 下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子 作轰击粒子，该粒子又称入射离子。所以溅射镀 膜又称离子溅射镀膜。
纳米科技
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LB膜的特点
❖ 超薄且厚度可准确控制，因此这种纳米薄膜 可满足现代电子学器件（纳电子器件）和光学 器件的尺寸要求。 ❖ 膜中分子排列高度有序且各向异性，使之 可根据需要设计，便于实现分子水平上的组装。
❖ 制膜条件温和，操作简便。
纳米科技
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LB膜的制备
能形成LB膜的材料，大都是表面活性分子，即 两亲分子。若两亲分子材料两者平衡，即称为 “两亲媒性平衡”，该材料就会吸附于水-气界面。
纳米科技
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磁控溅射法
为了克服成
膜速度低的缺点，
人们设计了磁控
溅射镀膜，在溅
射靶与基片之间
第四章 二维纳米结构――薄膜材料PPT课件
2Pa)，沉积物与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直
线到达基片，沉积速率较快；若真空度过低，沉积物原子频繁
碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质
量太差。
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(3) 气相物质的沉积 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝
聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若 在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学反应形成化合物 膜，称为反应镀。若用具有一定能量的离子轰击靶材，以 求改变膜层结构与性能的沉积过程称离子镀。
化学气相沉积方法作为常规的薄膜制备方法之一，目前较 多地被应用于纳米微粒薄膜材料的制备，包括常压、低压、等 离子体辅助气相沉积等。
该方法通过在高温、等离子或激光辅助等条件下控制反应
气压、气流速率、基片材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄
膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶
化过程，从而获得纳米结构的薄膜材料。
另一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射击 的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制 的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于 分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。
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溅射过程的物理模型
入射离子
+ 真空
溅射粒子 （离子或中性粒子）
靶材固体
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4-3 纳米薄膜材料制备技术
纳米薄膜制备方法分类： 按原理：可分为物理方法和化学方法和分子组装法（又称 物理化学法）三大类 按物质形态：主要有气相法和液相法两种
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分子组装法
SA膜技术 LB膜技术
MgO(111)上ZnO薄膜的外延生长及其结构和光学特性
Material Sciences 材料科学, 2013, 3, 116-120doi:10.12677/ms.2013.33022 Published Online May 2013 (/journal/ms.html)Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films Grown on MgO(111) Substrates by Molecular Beam EpitaxyDamin Du, Huiqiong Wang*, Hua Zhou, Yaping Li, Wei Huang, Jianfang Xu, Jiafa Cai, Linzhe Cui, ChunmiaoZhang, Xiaohang Chen, Huahan Zhan, Junyong KangKey Laboratory of Semiconductors and Applications of Fujian Province, Department of Physics, Xiamen University, XiamenEmail: *hqwang@.cReceived: Apr. 24th, 2013; revised: Apr. 26th, 2013; accepted: May 7th, 2013Copyright © 2013 Damin Du et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.Abstract: The growth of high quality ZnO films is highly desirable due to the promising applications of ZnO in opto-electronics. In this paper,ZnO films were grown on the MgO(111) substrates via the growth technique of molecular- beam epitaxy and their structural and optoelectronic properties were characterized. In particular, the influence of growth condition on the film qualify was investigated. The results show that, inducing a low temperature ZnO buffer layer be-fore the high temperature growth of ZnO films will help to improve the film quality. In situ reflection high-energy elec-tron diffraction (RHEED) and ex situ X-ray Diffraction (XRD) measurements indicate that the ZnO film and the MgO substrate follow the epitaxial relationship: ZnO[1-210]//MgO[1-10] and ZnO[1-100]//MgO[11-2]. Transmission Spectra show the characteristic optical bandgap of ZnO.Keywords: MBE; RHEED; XL; Buffer; Dislocation DensityMgO(111)上ZnO薄膜的外延生长及其结构和光学特性杜达敏，王惠琼*，周华，李亚平，黄巍，徐建芳，蔡加法，崔琳哲，张纯淼，陈晓航，詹华瀚，康俊勇厦门大学物理系，福建省半导体材料及应用重点实验室，厦门Email: *hqwang@收稿日期：2013年4月24日；修回日期：2013年4月26日；录用日期：2013年5月7日摘要：由于ZnO在光电器件的应用前景，其高质量薄膜的制备是研究热点之一。