薄膜的基本性質(zhì)

第二章薄膜的性質(zhì)在以固體電路為中心的電子學(xué)領(lǐng)域中，以及在分子束外延膜等有應(yīng)用前途的光電子學(xué)領(lǐng)域中，單晶膜起著重要的作用。但是常用的還是以多晶膜為多。這里，敘述有關(guān)薄膜的基本性質(zhì)。一、導(dǎo)電性金屬的導(dǎo)電性是由于金屬內(nèi)部的自由電子逆電場(chǎng)方向流動(dòng)造成的。電子在與電場(chǎng)相反的方向上被加速，但又由于與晶格碰撞而失去這之前從電場(chǎng)中得到的能量，這樣就限制了它的速度。它與晶格碰撞會(huì)使溫度升高，而晶格的熱振動(dòng)越是劇烈，碰撞的機(jī)會(huì)也就越多，這就是金屬的電阻值隨著溫度的升高而增大（具有正溫度系數(shù)）的主要原因。導(dǎo)電性薄膜和熱平衡狀態(tài)下制造的金屬，二者生成過(guò)程完全不同。薄膜是由島狀構(gòu)造開(kāi)始，且在急熱急冷的狀態(tài)下生成的，因此薄膜內(nèi)缺陷很多。這樣，其導(dǎo)電性就表現(xiàn)出與整塊的金屬的導(dǎo)電性不同的特殊性質(zhì)。在研究薄膜的導(dǎo)電性時(shí)，同氣體情況下相類(lèi)似要考慮到電子的平均自由程與膜厚的關(guān)系。（1）膜厚小于平均自由程在薄膜為島狀構(gòu)造的情況下，電子是沿著島流動(dòng)的，最終電子必須以某種方法通過(guò)微晶體之間的空間，因此，在膜層較薄時(shí)，電阻率是非常大的。當(dāng)膜厚增加達(dá)到數(shù)百埃，電阻率就會(huì)急劇地減??；但是，因晶粒界面的接觸電阻起很大的作用，所以和整塊材料時(shí)相比，電阻率還是要大的多。晶粒界面上會(huì)吸附氣體，發(fā)生氧化，當(dāng)這些地方為半導(dǎo)體時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)隨溫度的升高電阻減小的情況。單晶膜是在高溫下生成的，沒(méi)有晶粒界面的問(wèn)題，所以一般說(shuō)來(lái)電阻率小些。如果蒸鍍和濺射比較，濺射的膜由于核的密度較高，電阻率也較小些。導(dǎo)電性導(dǎo)電性膜厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均自由程隨著膜厚增加，薄膜的電阻率會(huì)接近整塊材料的值，但一般仍要比整塊的值大一些。這是由于微晶粒之間的接觸電阻核晶體中存在的晶格缺陷的密度大于整塊材料的這兩個(gè)因素加起來(lái)造成的。二、電阻溫度系數(shù)（TCR）一般說(shuō)來(lái)，金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)（TCR）在膜很薄時(shí)為負(fù)，在膜較厚時(shí)為正值。通常，較厚膜的TCR接近整塊材料的值，但并不相等。在制造電阻膜時(shí)，一般希望使電阻溫度系數(shù)為零，因此，一般要研究蒸發(fā)條件核濺射條件的各種變化。有時(shí)也在氮?dú)獾然钚詺怏w中制造薄膜。薄膜的結(jié)構(gòu)是隨著溫度不可逆地變化的。與此相應(yīng)，電阻核電阻溫度系數(shù)也會(huì)變化。膜越薄，這種變化就越顯著激烈?？梢岳斫鉃椋@是由于接近島狀或者海峽結(jié)構(gòu)的薄膜其粒子在基片上的再蒸發(fā)、重排、氧化等而引起化學(xué)變化的緣故。在膜較厚時(shí)也會(huì)由于晶格缺陷的變化而發(fā)生不可逆的變化。對(duì)于薄膜來(lái)說(shuō)，TCR和電阻率對(duì)于溫度的可逆變化只是在某一限定范圍之內(nèi)的，與整塊材料完全不同的。三、薄膜的密度一般說(shuō)來(lái)，薄膜的密度要比整塊材料的密度低。因此，同樣重量的膜也比整塊材料的膜要厚些。也可以說(shuō)，這是由于某種程度的粗糙性造成的。在以測(cè)定重量來(lái)計(jì)算膜厚的情況下，有必要預(yù)先測(cè)定出密度來(lái)。四、經(jīng)時(shí)變化薄膜在制成后也會(huì)十分緩慢地變化，這跟普通金屬那樣經(jīng)過(guò)充分地退火除去了各種各樣的缺陷是不同的。薄膜在制造時(shí)由于急速地冷卻而包含有各種各樣的缺陷、變形等等，這是它變化的起因。在使用薄膜時(shí)，一般要求經(jīng)時(shí)變化越小越好。為此，就要研究各種各樣的制造條件。膜越薄，經(jīng)時(shí)變化越大。這種經(jīng)時(shí)變化，一般在初期比較劇烈。因此，在薄膜做成以后，如果在高溫下放置數(shù)小時(shí)（按膜和基片材料而有所不同），則往往會(huì)使以后的變化比較小，我們把這種處理稱(chēng)為老化。五、電介質(zhì)膜電介質(zhì)是不顯示電導(dǎo)性的絕緣體的總稱(chēng)。在絕緣體內(nèi)晶格的周?chē)嬖谥娮釉疲鋬?nèi)部沒(méi)有自由運(yùn)動(dòng)的電子。如果施加外電場(chǎng)，離子和電子云的位置會(huì)發(fā)生位移，產(chǎn)生極化。在導(dǎo)體中是不存在電場(chǎng)的，與此相反，在絕緣體中，因介電常數(shù)有限，從而能產(chǎn)生有限電場(chǎng)，并且，絕緣體會(huì)發(fā)生介電感應(yīng)現(xiàn)象，這就是所謂“電介質(zhì)”名稱(chēng)的含義。與極化有關(guān)的壓電性和熱電性都是這類(lèi)材料的重要性質(zhì)。電介質(zhì)膜電介質(zhì)多數(shù)是化合物，由它們制備的薄膜是作為絕緣體使用的，但其中包含的缺陷比金屬膜要多得多，且組成成分得差異也很大，因此，在多數(shù)場(chǎng)合下，絕緣性和介電特性都比整塊材料要差。為了除去這些缺陷，在薄膜制成之后，需要進(jìn)行熱處理。從制法上來(lái)說(shuō)，濺射方法容易得到電介質(zhì)膜。將電介質(zhì)直接進(jìn)行濺射時(shí)，可得到100～200nm/s的沉積速率。也可以利用其它的反應(yīng)性濺射來(lái)制造電介質(zhì)膜。第二節(jié)薄膜的力學(xué)性能薄膜大都是附著在各種基體上，因而薄膜和基體之間的附著性能將直接影響到薄膜的各種性能，附著性不好的薄膜無(wú)法使用。薄膜在制造過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)受工藝條件的影響很大，薄膜內(nèi)部產(chǎn)生一定的應(yīng)力?；w材料與薄膜材料之間的熱膨脹系數(shù)的不同，也會(huì)使薄膜產(chǎn)生應(yīng)力，過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力將使薄膜卷曲或開(kāi)裂導(dǎo)致失敗。所以在各種應(yīng)用領(lǐng)域中，薄膜的附著力與內(nèi)應(yīng)力都是首先要研究的課題。一、薄膜的粘附力薄膜的附著性能在很大程度上決定了薄膜應(yīng)用的可能性和可靠性，這是在薄膜制造過(guò)程中普遍關(guān)心的問(wèn)題。1.附著現(xiàn)象：從宏觀上看，附著就是薄膜和基體表面相互作用將薄膜粘附在基體上的一種現(xiàn)象。薄膜的附著可分為四種類(lèi)型：①簡(jiǎn)單附著；②擴(kuò)散附著；③通過(guò)中間層附著；④宏觀效應(yīng)附著。附著的四種類(lèi)型示意圖簡(jiǎn)單附著擴(kuò)散附著通過(guò)中間層附著宏觀效應(yīng)附著（1）簡(jiǎn)單附著時(shí)，薄膜和基體之間存在一個(gè)很清楚的分界面。這種附著是由兩個(gè)接觸面相互吸引形成的。當(dāng)兩個(gè)不相似或不相容的表面相互接觸時(shí)就易形成這種附著。（2）擴(kuò)散附著是由于在薄膜和基體之間相互擴(kuò)散或溶解形成一個(gè)漸變的界面，即它可以使一個(gè)不連續(xù)的界面被一個(gè)由物質(zhì)逐漸和連續(xù)變化到另一種物質(zhì)的過(guò)渡層所代替。陰極濺射法制備的薄膜附著性能比真空蒸發(fā)法好，一個(gè)重要的原因是，從陰極靶上濺射出的粒子都有較大的動(dòng)能，它們沉積到基體上時(shí)可發(fā)生較深的縱向擴(kuò)散從而形成擴(kuò)散附著。（3）通過(guò)中間層的附著是在薄膜和基體之間形成一種化合物中間層（一層或多層），薄膜再通過(guò)這個(gè)中間層與基體間形成牢固的附著。這種中間層可能是一種化合物的薄層，也可能是含有多種化合物的薄膜。其化合物可能是由薄膜與基體兩種材料形成的化合物，也可能是與真空室內(nèi)環(huán)境氣氛形成的化合物，或者兩種情況都有。由于薄膜和基體之間由這樣一個(gè)中間層，所以?xún)烧咧g形成的附著就沒(méi)有單純的界面。（4）通過(guò)宏觀效應(yīng)的附著包括機(jī)械鎖合和雙電層吸引等。機(jī)械鎖合是一種宏觀的機(jī)械作用。當(dāng)基體表面比較粗糙，有各種微孔或微裂紋時(shí)，在薄膜形成過(guò)程中，入射到基體表面上的氣相原子便進(jìn)入到粗糙表面的各種缺陷、微孔或裂縫中形成這種宏觀機(jī)械鎖合。如果基體表面上各種微缺陷分布均勻適當(dāng)，通過(guò)機(jī)械鎖合作用可提高薄膜的附著性能。由上可以看出，附著或結(jié)合的全部現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上都是建立在原子間電子的交互作用的基礎(chǔ)上。2.附著表征黏附力或者結(jié)合能的測(cè)定可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是機(jī)械法，另一類(lèi)是形核法。機(jī)械法大致有：①劃痕試驗(yàn)法；②拉力試驗(yàn)法；③剝離試驗(yàn)法；④磨損法；⑤離心力試驗(yàn)法；⑥彎曲法；⑦碾壓法；⑧錘擊法；⑨壓痕法；⑩氣泡法等。

二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力用通常方法加工的各種零件是在良好的熱平衡狀態(tài)下制造的。即使如此，仍然會(huì)存在一定程度的殘余應(yīng)力。多數(shù)薄膜不是在熱平衡狀態(tài)下制造的，而是從島狀構(gòu)造開(kāi)始合成一體生長(zhǎng)而成的。各個(gè)島或是固體，或是液體，都不是在熱平衡狀態(tài)下充分地合成一體的，合成一體后也不可能是充分退火態(tài)的。在真空中制成的薄膜，可以肯定會(huì)殘留一定的內(nèi)應(yīng)力。它的大小因制作工藝條件的不同而不同。應(yīng)力為正表示拉伸應(yīng)力，膜本身有收縮趨勢(shì)；應(yīng)力為負(fù)表示壓縮應(yīng)力，膜本身有伸展的趨勢(shì)。在絕大多數(shù)場(chǎng)合下，蒸鍍膜中存在拉伸應(yīng)力，濺射膜中存在壓縮應(yīng)力1.內(nèi)應(yīng)力形成的原因?qū)τ趦?nèi)應(yīng)力的原因許多人進(jìn)行了大量研究，提出了各種理論模型。因此應(yīng)力現(xiàn)象比較復(fù)雜，很難用一種機(jī)理進(jìn)行說(shuō)明。目前對(duì)內(nèi)應(yīng)力的成因有如下一些理論：（1）熱應(yīng)力（熱收縮效應(yīng)）沉積過(guò)程中，薄膜由高溫冷卻到周?chē)h(huán)境溫度過(guò)程中原子逐漸變成不能移動(dòng)的狀態(tài)，這種熱收縮就是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的原因。由于薄膜和基體的熱膨脹系數(shù)不同，加之沉積過(guò)程的溫差，故薄膜產(chǎn)生一附加應(yīng)力，使薄膜和基體的結(jié)合發(fā)生變形，這個(gè)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。因此，在選擇基體時(shí)應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)與薄膜熱膨脹系數(shù)相近的材料?；瑴囟葘?duì)薄膜的內(nèi)應(yīng)力影響也很大，因?yàn)榛臏囟戎苯佑绊懳皆踊砻娴倪w移能力，從而影響薄膜的結(jié)構(gòu)、晶粒的大小、缺陷的數(shù)量和分布，而這些都與內(nèi)應(yīng)力大小有關(guān)。（2）相變效應(yīng)薄膜的形成過(guò)程實(shí)際上也是一個(gè)相變過(guò)程，即由氣相變?yōu)橐合嘣僮優(yōu)楣滔?。這種相變肯定帶來(lái)體積上的變化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。（3）空位的消除在薄膜中經(jīng)常含有許多晶格缺陷，其中空位和孔隙等缺陷經(jīng)過(guò)熱退火處理，原子在表面擴(kuò)散時(shí)消滅這些缺陷可使體積發(fā)生收縮，從而形成拉應(yīng)力性質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力。（4）界面失配當(dāng)薄膜材料的晶格結(jié)構(gòu)與基體材料的晶格結(jié)構(gòu)不同時(shí)，薄膜最初幾層的結(jié)構(gòu)將受基體的影響，形成接近或類(lèi)似基體的晶體結(jié)構(gòu)，然后逐漸過(guò)渡到薄膜材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，這種在過(guò)渡層中的結(jié)構(gòu)畸變，將使薄膜產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種由于界面上晶格的失配而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)界面應(yīng)力。為了減少界面應(yīng)力，基片表面的晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與薄膜匹配。（5）雜質(zhì)效應(yīng)在沉積薄膜時(shí)，環(huán)境氣氛對(duì)內(nèi)應(yīng)力的影響較大，真空室內(nèi)的殘余氣體進(jìn)入薄膜中將產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于晶粒間界的擴(kuò)散作用，即使在低溫下也可產(chǎn)生雜質(zhì)擴(kuò)散從而形成壓應(yīng)力。（6）原子、離子埋入效應(yīng)對(duì)于濺射薄膜、膜內(nèi)常有壓應(yīng)力存在。一方面由于濺射原子由10eV左右的能量，在形成薄膜時(shí)可能形成空位或填隙原子等缺陷使薄膜體積增大；另一方面，反濺射過(guò)程中的加速離子或加速的中性原子常以1～102eV(甚至更高）的能量沖擊薄膜，它們除了作為雜質(zhì)被薄膜捕獲外，薄膜表面原子向內(nèi)部移動(dòng)埋入導(dǎo)致薄膜體積增大，從而在薄膜中形成內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力是由原子、離子埋入引起的，因而稱(chēng)原子、離子的埋入效應(yīng)。（7）表面張力（表面能）在薄膜沉積過(guò)程中，由于小島的合并或晶粒的合并引起表面張力的變化，從而引起膜內(nèi)應(yīng)力的變化。2、內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量?jī)?nèi)應(yīng)力的測(cè)量方法有：①懸壁梁法；②彎盤(pán)法；③X射線衍射法；④激光拉曼法。3、內(nèi)應(yīng)力與薄膜的物理性能（1）內(nèi)應(yīng)力引起磁各向異性，內(nèi)應(yīng)力是通過(guò)磁致伸縮現(xiàn)象向薄膜提供能量的。而且還對(duì)薄膜的磁性能產(chǎn)生影響。（2）內(nèi)應(yīng)力引起超導(dǎo)點(diǎn)的變化，如引起Pb膜超導(dǎo)點(diǎn)的下降。3.提高粘附力的途徑（1）對(duì)基體進(jìn)行清潔處理基體的表面狀態(tài)對(duì)粘附力的影響很大，如果表面有一層污染層，將使薄膜不能與基體直接接觸，范德華力大大減弱，擴(kuò)散附著也不可能，從而附著性能極差，解決的方法是對(duì)基體進(jìn)行嚴(yán)格清洗，還可用離子轟擊法進(jìn)行處理。（2）提高基體溫度在沉積薄膜時(shí)提高基體溫度，有利于薄膜與基體間原子的相互擴(kuò)散，而且會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)，從而有利于形成擴(kuò)散附著和化學(xué)鍵附著，使粘附力增大。但基體溫度過(guò)高，會(huì)使薄膜晶粒粗大，增加膜中的熱應(yīng)力，從而影響薄膜的其它性能。因此，在提高基體溫度時(shí)應(yīng)作全面考慮。（3）制造中間過(guò)渡層當(dāng)基體和薄膜的熱膨脹系數(shù)相差較大時(shí)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力而使薄膜脫落，除選擇膨脹系數(shù)相近的基體和薄膜外，還可以在薄膜和基體之間形成一層或多層熱膨脹系數(shù)介于基體和薄膜之間的中間過(guò)渡層，以緩和熱應(yīng)力。（4）活化表面設(shè)法增加基片的活性，可以提高表面能，從而增加粘附力。用洗滌劑清洗，相當(dāng)于活化的效果。利用腐蝕劑進(jìn)行刻蝕、離子轟擊，或利用某些機(jī)械進(jìn)行研磨等清潔和粗化效果也有活化作用。（5）熱處理沉積薄膜后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，如?jīng)過(guò)熱退火處理消除缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力或增加相互擴(kuò)散來(lái)提高粘附力。（6）晶格匹配由于基體與薄膜的晶格失配，將產(chǎn)生熱應(yīng)力，因而盡量選擇基體和薄膜材料的晶格結(jié)構(gòu)相近的材料作為基體，可以提高粘附力。（7）用氧化方法氧化物具有特殊的作用，用氧化的方法在基體與薄膜間形成中間氧化物層可以提高粘附力。例如，對(duì)基體用含有O2和H2O的輝光放電的離子進(jìn)行轟擊，基片表面就會(huì)出現(xiàn)易于氧化的部分，從而使沉積的薄膜粘附力增強(qiáng)。（8）用梯度材料連續(xù)改變兩種材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失來(lái)緩和熱應(yīng)力，增強(qiáng)粘附力。因?yàn)橹挥懈街喂痰谋∧げ庞袑?shí)際使用價(jià)值，但目前還存在許多問(wèn)題，因此，提高薄膜與基體的粘附力仍然是材料工作者今后的主要研究課題之一。

第二節(jié)

壓電薄膜的電學(xué)性質(zhì)

一、介電常數(shù)壓電薄膜的介電常數(shù)值與晶體的數(shù)值略有差異。在薄膜中常有較大的殘留內(nèi)應(yīng)力以及測(cè)量上的原因，也導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)值不同于晶體的相應(yīng)數(shù)值。一、介電常數(shù)壓電薄膜的介電常數(shù)有相當(dāng)大分散性的原因，除了因內(nèi)應(yīng)力大小和測(cè)試條件不同以外，還因薄膜成分偏離化學(xué)式計(jì)量比和薄膜厚度的差別；一般認(rèn)為，薄膜介電常數(shù)隨厚度減薄而變小。另外，壓電薄膜的介電常數(shù)隨溫度、頻率的變化也會(huì)發(fā)生明顯的變化。二、體積電阻率從降低壓電薄膜的介質(zhì)損耗和馳豫頻率來(lái)說(shuō)，都希望它具有很高的電阻率，至少應(yīng)該AIN薄膜的電阻率為2×1014~1×1015，遠(yuǎn)高于108，因而在這方面AIN是十分優(yōu)異的薄膜。有壓電效應(yīng)的晶體都不具有對(duì)稱(chēng)中心，所以其電子遷移率也是各向異性的。電導(dǎo)率也是各不相同的。三、損耗角正切AIN壓電薄膜的介質(zhì)損耗角正切ZnO薄膜的則較大，為0.005~0.01。這些薄膜的之所以有這樣大，是由于在這些薄膜中除了有電導(dǎo)過(guò)程以外，還存在著顯著的馳豫過(guò)程。與介質(zhì)薄膜類(lèi)似，壓電薄膜的隨溫度和頻率的上升以及濕度的增大，都逐漸變大。另外，在薄膜厚度減小時(shí)，趨向于增大。四、擊穿場(chǎng)強(qiáng)因?yàn)殡娊橘|(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)屬于強(qiáng)度參數(shù)，而且在薄膜中又難免有各種缺陷，所以壓電薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)有相當(dāng)大的分散性；按電介質(zhì)的擊穿理論，對(duì)于完好無(wú)缺的薄膜，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該隨薄膜厚度的減少而逐漸增大。但是實(shí)際上，因?yàn)楸∧ぶ泻胁簧偃毕?，厚度越小時(shí)缺陷的影響越顯著，所以在厚度減小到一定數(shù)值以后，薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而急劇變小。五、體聲波性能體聲波壓電換能器的最重要的特性參數(shù)是諧振頻率、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)K。所以對(duì)壓電薄膜的聲速v及其溫度系數(shù)、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)要求特別嚴(yán)格。而薄膜的這些性能不但取決于薄膜內(nèi)晶粒的彈性、介電、壓電和熱性能，而且還與壓電薄膜的結(jié)構(gòu)如晶粒堆積緊密程度和擇優(yōu)取向程度等密切相關(guān)。六、表聲波性能表聲波在壓電介質(zhì)中傳播時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨著離開(kāi)介質(zhì)表面距離的增大而迅速衰減，因此表聲波能量主要集中在表面下一二個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)。下圖示出了壓電介質(zhì)中表聲波傳播示意圖。壓電介質(zhì)中表聲波傳播示意圖表聲波性能函數(shù)式由于表聲波的性質(zhì)與體聲波的不同，所以壓電材料在表聲波方面所表現(xiàn)出的性能顯著地不同于它的體聲波性能?？蓪⒈∧さ谋砺暡ㄐ阅鼙磉_(dá)為下列函數(shù)式：表聲波性能=F（原材料，基片，薄膜結(jié)構(gòu)，波模式，傳播方向，叉指電極形式，厚度波數(shù)積）

第三節(jié)半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)性質(zhì)一、基本特征半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，是以它有限大小的能帶間隙表征的。其寬度通常比電介質(zhì)的小，不到3eV光子的能量等于Eg的光的波長(zhǎng)，大約是從紅外到可見(jiàn)光的范圍。另外，因決定半導(dǎo)體性質(zhì)的電子和空穴，對(duì)其光學(xué)性質(zhì)也有很大影響，所以半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)有密切的聯(lián)系。因此，半導(dǎo)體的許多光學(xué)性質(zhì)，可以通過(guò)電的控制表現(xiàn)出來(lái)。這就是利用半導(dǎo)體薄膜作為光信號(hào)和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的光電器件材料的重要的理由。半導(dǎo)體薄膜，有在單晶基片上外延生長(zhǎng)的單晶膜；也有通過(guò)各種沉積方法鍍制的多晶或非晶膜。前者通常用來(lái)獲得高質(zhì)量的背表面層，后者多半用來(lái)制造均勻性好、大面積平面器件。另外，由于它與其它材料的工藝過(guò)程有很好的適應(yīng)性，因此，在應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性方面占有優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體薄膜同塊體材料的性質(zhì)有許多相同之處，但是它們的最基本差別，在于膜材有表面和界面效應(yīng)。就半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些表面和界面，首先對(duì)光的電磁學(xué)邊界起作用。特別是可利用光在界面上的全反射現(xiàn)象，將光完全封閉在薄膜之內(nèi)做成光波導(dǎo)，可用來(lái)作半導(dǎo)體激光器或者光的集成電路元件。另外，也給出了關(guān)于半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)的邊界條件。這對(duì)試圖通過(guò)電技術(shù)控制半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)是非常重要的。特別是膜的厚度在0.01m以下的超薄薄膜，由于電子波函數(shù)的相干長(zhǎng)度超過(guò)膜的厚度，量子尺寸效應(yīng)明顯地表現(xiàn)出來(lái)，這就是所謂量子阱結(jié)構(gòu)。在這種情況下可以通過(guò)改變膜厚度和界面的結(jié)合狀態(tài)，來(lái)控制電子結(jié)構(gòu)。二、光吸收與光反射1.光學(xué)吸收邊（Absorptionedge)當(dāng)光子的能量hv比半導(dǎo)體能隙Eg大時(shí)，電子才有可能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶中去，產(chǎn)生較強(qiáng)的光吸收，如果波長(zhǎng)為，光速為c，折射率為n，則可用關(guān)系式hv=hc/n,將它們同光子能量聯(lián)系起來(lái)。對(duì)應(yīng)能隙Eg的波長(zhǎng)，叫作光學(xué)吸收邊。波長(zhǎng)小于吸收邊時(shí)，吸收增加。在布里淵區(qū)中，對(duì)應(yīng)導(dǎo)帶和價(jià)帶極值的波矢量相等的半導(dǎo)體叫作直接躍遷型半導(dǎo)體，它的吸收系數(shù)很大。然而，不同波矢所在點(diǎn)存在能帶邊時(shí)，于光子吸收的同時(shí)，伴隨聲子的吸收或發(fā)射，因此，在吸收邊附近的吸收系數(shù)增加得比較緩慢。2.Burstein-Moss效應(yīng)在重?fù)诫s半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底邊處的狀態(tài)幾乎都被淹沒(méi)在能隙之中，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底之上，即所謂簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。這時(shí)，產(chǎn)生光吸收需要的最小光子能量，說(shuō)明吸收邊向短波方向移動(dòng)。3.激子光吸收產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，在庫(kù)侖力作用下相互吸引而復(fù)合。在雜質(zhì)和缺陷少的晶體中，這個(gè)效應(yīng)表現(xiàn)得尤為明顯。4.能帶尾當(dāng)光子能量比能帶間隙小時(shí)，往往在長(zhǎng)波側(cè)產(chǎn)生剩余吸收。其原因：（1）由于存在雜質(zhì)中心，被雜質(zhì)電子占據(jù)的能級(jí)重疊在一起，形成雜質(zhì)能帶；（2）在聲子發(fā)射的同時(shí)，伴隨光子吸收的過(guò)程中，聲子能譜呈連續(xù)分布（3）晶體中靜態(tài)紊流或應(yīng)變誘發(fā)的多粒子疊加過(guò)程等。4.光電效應(yīng)由于半導(dǎo)體吸收光而產(chǎn)生電子（光生載流子），就能夠以這種電子為源形成電流或電動(dòng)勢(shì)。利用該方法能實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的檢測(cè)和光能電能的轉(zhuǎn)換。由于光的照射從表面向真空發(fā)射自由電子的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)。這樣，晶體中的電子應(yīng)具有超越表面位壘的能量。對(duì)于用來(lái)制造紅外光電倍增管的化合物半導(dǎo)體，在經(jīng)過(guò)超高真空加熱清洗的表面上，吸附了一層Cs或Cs-O單原子層，結(jié)果使表面功函數(shù)降低，出現(xiàn)導(dǎo)帶能級(jí)超過(guò)真空能級(jí)的情況，即產(chǎn)生具有負(fù)電子親合性的光電表面。在具有PN結(jié)或Shockley位壘的半導(dǎo)體中，過(guò)剩載流子越過(guò)位壘擴(kuò)散形成光電流，叫作內(nèi)光電效應(yīng)。通過(guò)外電級(jí)，可將這種光電流引出來(lái)或形成光致電動(dòng)勢(shì)。三、發(fā)光1.發(fā)光機(jī)理半導(dǎo)體發(fā)光不同于高溫物體的熱輻射，它是被激發(fā)的電子，從高能級(jí)向低能級(jí)量子躍遷時(shí)放射光子的過(guò)程，這種發(fā)光統(tǒng)稱(chēng)為熒光。參與量子躍遷的能級(jí)不同，其發(fā)出的熒光也不同。2.PN結(jié)的注入發(fā)光及其應(yīng)要想產(chǎn)生熒光，應(yīng)促使發(fā)光物質(zhì)形成激發(fā)態(tài)，如陰極射線管的熒光膜，是由電子射線