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一、前言

近年來，國內(nèi)外正掀起“光電子學”和“光電子產(chǎn)業(yè)”的熱潮，光電子技術已經(jīng)在信息、能源、材料、航空航天、生命科學、環(huán)境科學和軍事國防等諸多領域發(fā)揮著重要作用。光電子學是從上世紀七十年代，在光學、電子學及相關學科的基礎上發(fā)展起來的一門科學，光電子器件的小型化、多樣化和性能的不斷提高是光電子技術發(fā)展的重要標志，在這個發(fā)展過程中，薄膜技術功不可沒。

當固體或液體的一維線性尺度遠遠小于它的其它二維尺度時，我們將這樣的固體或液體稱為膜。一般將厚度大于1μm的膜稱為厚膜，厚度小于1μm的膜稱為薄膜，當然，這種劃分具有一定的任意性。薄膜的研究和制備由來已久，但在早期，技術落后使得薄膜的重復性較差，其應用受到限制，僅用于抗腐蝕和制作鏡面。自從制備薄膜的真空系統(tǒng)和各種表面分析技術有了長足的進步，以及其他先進工藝（如等離子體技術）的發(fā)展，薄膜的應用開始了迅速的拓展。目前，在光電子器件中，薄膜的使用非常普遍，它們中大部分是化合物半導體材料，厚度低至納米級。

二、薄膜制備技術

薄膜制備方法多種多樣，總的說來可以分為兩種——物理的和化學的。物理方法指在薄膜的制備過程中，原材料只發(fā)生物理的變化，而化學方法中，則要利用到一些化學反應才能得到薄膜。

1.化學氣相淀積法(CVD)

目前光電子器件的制備中常用的化學方法主要有等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）和金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）。

化學氣相淀積是制備各種薄膜的常用方法，利用這一技術可以在各種基片上制備多種元素及化合物薄膜。傳統(tǒng)的化學氣相淀積一般需要在高溫下進行，高溫常常會使基片受到損壞，而等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）則能解決這一問題。等離子體的基本作用是促進化學反應，等離子體中的電子的平均能量足以使大多數(shù)氣體電離或分解。用電子動能代替熱能，這就大大降低了薄膜制備環(huán)境的溫度，采用PECVD技術，一般在1000℃以下。利用PECVD技術可以制備SiO2、Si3N4、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介電和半導體膜，能夠滿足光電子器件的研發(fā)和制備對新型和優(yōu)質(zhì)材料的大量需求。

金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）是利用有機金屬熱分解進行氣相外延生長的先進技術，目前主要用于化合物半導體的薄膜氣相生長，因此在以化合物半導體為主的光電子器件的制備中，它是一種常用的方法。利用MOCVD技術可以合成組分按任意比例組成的人工合成材料，薄膜厚度可以精確控制到原子級，從而可以很方便的得到各種薄膜結構型材料，如量子阱、超晶格等。這種技術使得量子阱結構在激光器和LED等器件中得到廣泛的應用，大大提高了器件性能。

2.物理氣相淀積（PVD）

化學反應一般需要在高溫下進行，基片所處的環(huán)境溫度一般較高，這樣也就同時限制了基片材料的選取。相對于化學氣相淀積的這些局限性，物理氣相淀積（PVD）則顯示出其獨有的優(yōu)越性，它對淀積材料和基片材料均沒有限制。制備光電子器件的薄膜常用的PVD技術有蒸發(fā)冷凝法、濺射法和分子束外延。

蒸發(fā)冷凝法是薄膜制備中最為廣泛使用的一種技術，它是在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必需的蒸汽壓，在適當?shù)臏囟认?，蒸發(fā)粒子在基片上凝結，實現(xiàn)薄膜沉積。蒸發(fā)冷凝法按加熱源的不同有可分為電阻加熱法、等離子體加熱法、高頻感應法、激光加熱法和電子束加熱法，后兩種在光電子器件的制備中比較常用。

電子束加熱法是將高速電子束打到待蒸發(fā)材料上，電子的動能迅速轉換成熱能，是材料蒸發(fā)。它的優(yōu)點是可以避免待蒸發(fā)材料與坩堝發(fā)生反應，從而得到高純的薄膜材料。近年來人們又研制出具有磁聚焦和磁彎曲的電子束蒸發(fā)裝置，使用這樣的裝置，電子束可以被聚焦到位于基片之間的一個或多個支架中的待蒸發(fā)物上。

激光蒸發(fā)法是一種在高真空下制備薄膜的技術，激光作為熱源使待蒸鍍材料蒸發(fā)。激光源放置在真空室外部，激光光束通過真空室窗口打到待蒸鍍材料上使之蒸發(fā)，最后沉積在基片上。激光蒸發(fā)法具有超清潔、蒸發(fā)速度快、容易實現(xiàn)順序多元蒸發(fā)等優(yōu)點。后來人們使用脈沖激光，可使原材料在很高溫度下迅速加熱和冷卻，瞬間蒸發(fā)在靶的某一小區(qū)域得以實現(xiàn)。由于脈沖激光可產(chǎn)生高功率脈沖，完全可以創(chuàng)造瞬間蒸發(fā)的條件，因此脈沖激光蒸發(fā)法對于化合物材料的組元蒸發(fā)具有很大優(yōu)勢。使用激光蒸發(fā)法可以得到光學性質(zhì)較好的薄膜材料，包括ZnO和Ge膜等。

濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面（靶）使其中的原子或分子發(fā)射出來。這些被濺射出來的粒子帶有一定的動能，并具有方向性。將濺射出來的物質(zhì)沉積到基片上形成薄膜的方法成為濺射法，它也是物理氣相淀積法的一種。濺射法又分直流濺射、離子濺射、射頻濺射和磁控濺射，目前用的比較多的是后兩種。在濺射靶上加有射頻電壓的濺射稱為射頻濺射，它是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射淀積方法。磁控濺射的原理是，濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速稱為高能電子，但它們并不直接飛向陰極，而是在電場和磁場的聯(lián)合作用下進行近似擺線的運動。在運動中高能電子不斷地與氣體分子發(fā)生碰撞，并向后者轉移能量，使之電離而本身成為低能電子。這些低能電子沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極而被吸收，從而避免了高能電子對基片的強烈轟擊，同時，電子要經(jīng)過大約上百米的飛行才能到達陽極，碰撞頻率大約為107/s，因此磁控濺射的電離效率高。磁控濺射不僅可以得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時還可以避免二次電子轟擊而使基板保持接近冷態(tài)。

分子束外延（MBE）技術是一種可在原子尺度上精確控制外延厚度、摻雜和界面平整度的超薄層薄膜制備技術。所謂“外延”就是在一定的單晶材料襯底上，沿著襯底的某個指數(shù)晶面向外延伸生長一層單晶薄膜。分子束外延是在超高真空條件下，精確控制原材料的分子束強度，把分子束射入被加熱的底片上而進行外延生長的。由于其蒸發(fā)源、監(jiān)控系統(tǒng)和分析系統(tǒng)的高性能和真空環(huán)境的改善，能夠得到極高質(zhì)量的薄膜單晶體，可以說它是一種以真空蒸鍍?yōu)榛A的一種全新的薄膜生長方法。

三、結語

薄膜技術是研制新材料、新結構的重要方法之一，用薄膜技術制作的薄膜材料不僅具有優(yōu)良的光電性能、鈍化性能、強的阻擋雜質(zhì)粒子擴散以及抗水汽滲透能力，在光電子器件中得到廣泛的應用，主要用來充當絕緣層、鈍化保護層以及各種敏感膜層等，而且還具有很高的硬度和強的化學穩(wěn)定性，從而在材料改性技術領域中也將有著廣闊的應用前景。

【摘要】本文介紹了在光電子器件制造中常用的幾種薄膜技術的原理以及各自的特點。

【關鍵詞】薄膜原理應用光電子器件