薄膜功能材料-第2节
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上述单层膜实际仅能在一个波长下得到零反射率，在此波长两侧反射率急剧上升，而且对于玻璃，MgF2膜也并非最理想的。采用由经过计算选择的不同折射率材料制备的多层防反射膜可解决此问题。
2、薄膜激光器？ ？？？
？？在具有高折射率的薄膜外沉积低折射率的薄膜后，由于在界面上发生全反射，将光波封闭在有限截面的秀明介质内，使之在波导轴方向传播的光学结构称为光波导。如果用具有增益的活性材料做波导层，在其上再制出谐振器就可构成薄膜激光器，也称为波导激光器。其活性层厚度限制在0。1~0。5μm，宽度为1~3 nm，光被封闭在此区域中或附近，相应的电流阈值为20~100mA。光通信中所使用的激光器大部分是半导体薄膜激光器。
从原则上讲，凡是可以用来制作异质结构的材料都有可能成为半导体激光器的材料，其中研究最多的有：用于可见光波段及光通信的0。8um波段的GaAlAs…GaAs系列材料和用于光通信波段的四元化合物InGaAsP…InP，此外还有2~10um波段的InGaAsSb…AlGaAsSb和InAsPSb…InAPSb及Ⅱ…ⅥA族的化合物PbSnTe…PbSeTe，用于可见光波段的Ⅱ…ⅥA族半导体CdSSe…CdS等。激发方式不仅有电流注入型，还可采用激发和电子束激发。半导体薄膜激光器常用MOCVD方法来制备。
3、光电导膜？ ？ 电视摄像机、X射线摄像机（CT）、热摄像机等各种摄像机中，核心部件是将光学图转化为电信号的摄像管。在摄像管中主要使用两种薄膜透明导电膜和光电导膜。因为具有透明导电性，因而得到广泛应用。此外，阳极氧化Ta…Os 膜和蒸镀Se膜、Ge膜也用来做湿度传感器。
利用材料吸附气体后性能的变化可制成各种气敏元件，例如，应用半导体材料吸附气体后电导率的弯化等。由于环境监测、气体泄漏监测、汽车发动机等方面的需要，气敏材料近年来研究得比较多。研究较多的气敏薄膜有：对一氧化碳敏感的SnO2薄膜；对乙醇蒸气敏感的SnO2和ZnO等薄膜；对氢敏感的TiO2、ZnO和WO3等薄膜；对大气污染和NO2测定用的固溶微量Ag的V2O5薄膜等。为了使汽车燃料充分燃烧，减少污染，因而促进了氧敏材料的研究，半导体氧敏材料主要有SrTiO3、CeO2、Nb2O5等，固体电解质材料构成的电极吸附气体后电极电位会发生变化，已经利用ZrO2、LaF3等材料的这种性质做成氧敏元件，并已得到很多应用。
近来来，随着半导体集成电路技术，发展出了固体摄像器。用固体摄像器代替报像管可使摄像机体积大大减小、成本降低，但一般用于家庭，在这种摄像器中也要用到很多薄膜技术。
五、半导体薄膜
薄膜功能材料中很大一部分是半导体薄膜。半导体薄膜具有很广泛的应用，如集成电路、光导摄像管的光导电膜、场效应晶体管、高效太阳能电池、薄膜传感器乃至通过掺杂得到半导体导电薄膜等等。
1、半导体单晶薄膜？ ？？？在蓝宝石（α…Al2O3、六方晶系）等单晶绝缘基片上，外延生长单晶薄膜构成的半导体材料一般称为SOS（silicon on
？？sapphire）。用这种结构的半导体材料制作MOS集成电路，与块状材料相比，其p…n结面积小，减小了寄生电容及基片和布线间的电容，利于高速化；器件之间间隔区减少，利于高密度化；器件之间没有相互作用，便于设计和布置。这些特点正符合大规模集成电路的高速度、高密度要求，因而被认为是MOS集成电路的理想材料。多年来对SOS的制备、结构和性能等进行了很多的研究，随着薄膜外延生长技术的发展，现在已经达到了实用阶段。
SOS通常是采用热分解SiH4气体的气相沉积法，在蓝宝石基片上沉积得到硅单晶薄膜。虽然对于其他绝缘基片进行了不少研究，如尖晶石（Mal2O4，立方晶系）等，但能最好满足要求的还是蓝宝石。人造金刚石薄膜材料由于其良好的绝缘性能和导热等性能，被认为是制作超大规模集成电路的理想基片，但目前人造金刚石薄膜的质量还有待提高。
2、薄膜晶体管（thin film transistor；TFT）在绝缘基片上沉积半导体薄膜，再沉积上电极就构成了薄膜晶体管。在TFT中，由行半导体薄膜中的晶体不完整性形成的陷阱及半导体与绝缘体界面缺陷引起的表面能级，会将栅极电压诱导产生电子俘获，因而与单晶块材材料制作的晶体管相比，通常载流子的寿命较短，迁移率较小，做成p…n结漏电电流较大，便得TFT的电流值比单晶硅MOS晶体管差一个数量级左右，因此TFT主要是用来做薄膜场效应晶体管，特别是制作MIS（金属绝缘半导体）型场效应晶体管比较容易，而且性能也较好。
在TFT材料中，采用CdST cDSe晶体管已试制成功平板显示器，这两种材料禁带宽度和载流子迁移率都较大，可用真空蒸镀进行大面积沉积。但由于难以准确控制材料中原子比为1：1，且长期稳定性较差，所以后来TFT转向VIA族元素，特别硅。用等离子体CVD方法将硅烷（SiH4气体分解制成的非晶硅薄膜（简称α…Si）为代表的非晶半导体，具有比单晶硅更宽的禁带，很高的暗电阻，可得到很高的导通…载止电流比，且由于其键合构造中掺有氢，因而大大降低了禁带中电子、空穴的捕集能级密度，使其具有置换型杂质掺杂敏感情，通过添加铁、氮、碳、锗、锡等元素能够容易地改变带隙、电导率，又可进行均匀大面积沉积及利用光刻技术进行微加工等，因而是一种理想的半导体材料。已成功用于平板显示器等多种器件。
TFT的基片多采用玻璃、石英乃至蓝宝石等；电极材料可采用铝、钼、金、铬、NiCr、钛等金属或ITO（氧化铟锡）等透明导电膜，绝缘材料可采用SiO2、SiN4、Al2O3、TiO2等。
3、太阳能电池？ ？？？太阳能电池是利用半导体温表p…n结将光能直接转换成电能的器件。其功能是在光的作用下，半导体能带之间或能带次能级之间载流子迁移产生光载流子，内电场使光载流子极化，然后将极化载流子有效收集起来。带隙为1。4~1。7eV的材料可得到较高的转换效率，硅及铟、镉、镓的化合物半导体材料都可用来做太阳有电池材料。例如，在厚度约为400nm的单晶硅基片上沉积一层不同于基片材料的扩散层形成p…n结，然后在表面沉积透明导电膜电极，为了增加光吸收，上面再镀一层防反射膜，在背面沉积金属电极就构成了单晶硅太阳能电池。
太阳能电池实用化最重要的问题是要开发出性能价格比高的电池，实际上，太阳能电池中参与光电转换的仅是半导体表面几微米厚的一薄层，因而薄膜太阳能电池的研究具有很大吸引力。目前已有很多种薄膜太阳能电池，如在沉积成多晶硅薄膜以后，用外延生长法制备p…n结，然后沉积电极。用化学气相沉积得到的非晶硅薄膜对光的吸收系数高，1μm左右厚的薄膜就可制成太阳能电池，α…Si又适于制备大面积薄膜，因而是一种很有前途的材料。此外，只有V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�
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