中国科学技术大学：半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试（PPT讲稿）

四级物理实验的宗旨 按实验内容的基础普遍性、难易程度与学生知 识水平相适应分为四级实验 一级实验:基本操作与测量,普及型 级实验:逐步增加综合性与设计性实验 的比例及难度,由教师安排,过渡到学生自己 设计实验,自己准备仪器完成实验。培养综合 思维和创造能力 四级实验以科研实践为主题,以科学研究的方 式进行实验教学,培养学生独立科研的能力 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试2

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 2 四级物理实验的宗旨 • 按实验内容的基础普遍性、难易程度与学生知 识水平相适应分为四级实验 • 一级实验：基本操作与测量，普及型 • 二、三级实验：逐步增加综合性与设计性实验 的比例及难度，由教师安排，过渡到学生自己 设计实验，自己准备仪器完成实验。培养综合 思维和创造能力。 • 四级实验以科研实践为主题，以科学研究的方 式进行实验教学，培养学生独立科研的能力

达到以上要求的难点 (对三、四级实验而言) (1)三、四级实验的对象是理科和物理类学生,有几百 人参加。设备和师资有限,可能带来如下问题: 设备总量将严重不足 实验周期大大拉长,指导教师工作量大大增加 (2)由于增加了具有时代性和先进性的现代实验,引入 了一些大型或高精尖设备,不可能让每人得到充分的操作 训练,可能带来如下问题: ·实验设备少,操作受限;操作规程过于规范,束缚思维 实验先进,大大超前理论:知其然不知其所以然 实验标题及方法固定,实际上就难以切入真正的科研 M"M!导体薄膜的制备和性能測试实验的特殊性及教学尝试3

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 3 达到以上要求的难点 （对三、四级实验而言） • （1）三、四级实验的对象是理科和物理类学生，有几百 人参加。设备和师资有限，可能带来如下问题： • 设备总量将严重不足 • 实验周期大大拉长，指导教师工作量大大增加 • （2）由于增加了具有时代性和先进性的现代实验，引入 了一些大型或高精尖设备，不可能让每人得到充分的操作 训练，可能带来如下问题： • 实验设备少，操作受限；操作规程过于规范，束缚思维 • 实验先进，大大超前理论：知其然不知其所以然 • 实验标题及方法固定，实际上就难以切入真正的科研

解决方法: (1)实验闲隙中(如抽真空等待时),以计算机 演示的方式,向同学讲解: 固体物理和半导体物理预备知识 实验原理和操作规程 (2)每次实验必须打开真空室,结合实物讲解 (3)请同学自己总结问题和提出问题 (4)利用学期近结束时的开放时间安排科研实践 活动 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试4

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 4 解决方法： （1）实验闲隙中（如抽真空等待时），以计算机 演示的方式，向同学讲解： 固体物理和半导体物理预备知识 实验原理和操作规程 （2）每次实验必须打开真空室，结合实物讲解 （3）请同学自己总结问题和提出问题 （4）利用学期近结束时的开放时间安排科研实践 活动

下是计算机部分演示 、ZnO透明导电薄膜和金属电极的制备 (1)预备知识:半导体结构及导电性(为没有学过 “固体物理”的学生准备,另有演示,此处从略) ·半导体的晶体结构,晶格、晶向、晶面和它们的标志,半导体的 几种常见结构(金刚石型结构,闪锌矿、纤锌矿结构,氯化钠」 结构) 半导体中的电子状态和能带:原子的能级和晶体的能带(导带, 禁带和价带) 半导体中的杂质和缺陷能级,间隙位与替位位,施主与受主, 补偿,n型与p型半导体,缺陷与位错,半导体中的掺杂ZnO薄 膜的制备 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试5

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 5 下是计算机部分演示 • 一、ZnO透明导电薄膜和金属电极的制备 • (1)预备知识：半导体结构及导电性（为没有学过 “固体物理”的学生准备,另有演示,此处从略） • 半导体的晶体结构, 晶格、晶向、晶面和它们的标志, 半导体的 几种常见结构（金刚石型结构，闪锌矿、纤锌矿结构，氯化钠 结构） • 半导体中的电子状态和能带: 原子的能级和晶体的能带（导带， 禁带和价带） • 半导体中的杂质和缺陷能级，间隙位与替位位，施主与受主， 补偿，n型与p型半导体，缺陷与位错，半导体中的掺杂ZnO薄 膜的制备

透明导电ZnO薄膜及 金属电极的制备演示 中国科学技术大学物理系 薄膜制备及性能测试实验室 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试6

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 6 透明导电ZnO薄膜及 金属电极的制备演示 中国科学技术大学物理系 薄膜制备及性能测试实验室

实验内容介绍 一.薄膜材料简介 二.ZnO薄膜的基本性质 金属电极制备 四.磁控溅射制备ZnO薄膜 五.相关准备工作化学清洗和靶材制备 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试7

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 7 实验内容介绍 四 . 磁控溅射制备ZnO薄膜 五. 相关准备工作----化学清洗和靶材制备 二. ZnO薄膜的基本性质 一. 薄膜材料简介

薄膜材料简介 (1)薄膜材料 应用领域:材料科学、能源、信息、微电子工业等;尤其宽 禁带半导体光电功能材料,已成为各国研宪的重 点。 研究目的:利用新材料制备具有最佳性能的器件 提高生产率,降低成本 发展方向:透明导电薄膜、具有低电阻、高透射率等 可作为透明导电窗口 (2)Zn0薄膜及金属电极的制备实验方法: 用掺氧化铝的氧化锌粉东靶→>真空蒸发或礅控溅射→ 制备拌导体透明导电薄膜→测量薄膜的光电特性 M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试8

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 8 （1）薄膜材料 应用领域：材料科学、能源、信息、微电子工业等;尤其宽 禁带半导体光电功能材料，已成为各国研究的重 点。 研究目的：利用新材料制备具有最佳性能的器件 提高 生产率，降低成本; 发展方向：透明导电薄膜、具有低电阻、高透射率等 可作为透明导电窗口. （2）ZnO薄膜及金属电极的制备实验方法： 用掺氧化铝的氧化锌粉末靶 →真空蒸发或磁控溅射→ 制备半导体透明导电薄膜→测量薄膜的光电特性. 一、薄膜材料简介

二、ZnO薄膜的基本性质 几种宽禁带半导体基本性质比较 半导体材料的生长温度和基本性质 材料晶体结构E(ev)Eo(meV)a(A)c(A)Tme(C)T2C) ZnO六角 3.2 3.255.201970-600 GaN六角 3.195.191700~1100 ZnSe闪锌矿 5.67 1520 ZnS闪锌矿 3.6 541 1850 400 其中E3为室温下禁带宽度,E为潋子束缚能,a与c为晶格常数,Tm为熔点,Tg为生长温度 M"MM导体薄膜的制备和性能測试实验的特殊性及教学尝试9

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 9 二、ZnO薄膜的基本性质 几种宽禁带半导体基本性质比较

真空蒸发制备金属电极 1、真空蒸发原理: 〔 ATHODE BELL JAR 真空条件下—蒸发源材料加热-s 脱离材料表面束缚一原子分子作直 线运动遇到待沉积基片一一沉积 〔 ATHODE 成膜 AT NEGATIVE POTENTIAL SUBSTRATES 2、真空镀膜系统结构: ROTATABLE SHUTTER GROUNDE ANODE (1)真空镀膜室 SUBSTRATE RESISTANCE HEATER (2)真空抽气系统 GAS INLET (3)真空测量系统 PIRANI GAUGE IONIZATION SYSTEM GAUGE HIGH VACUUM M"MM导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试10

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 10 1、真空蒸发原理： 真空条件下---蒸发源材料加热--- 脱离材料表面束缚---原子分子作直 线运动----遇到待沉积基片---沉积 成膜。 2、真空镀膜系统结构： （1）真空镀膜室 （2）真空抽气系统 （3）真空测量系统 三、真空蒸发制备金属电极

旋片泵结构及工作原理示意图 ’: 进气1 清器 加 片泵的抽气过程 旋片结图 MM"M!MM导体薄朕的制备和性能測试实验的特殊性及教学尝试11

半导体薄膜的制备和性能测试实验的特殊性及教学尝试 11 旋片泵结构及工作原理示意图