Fe-Si系非晶半导体薄膜及团簇模型解析

摘要

半导体型非晶Fe-Si薄膜室温具有与晶体β-FeSi2相似的半导体性能，是一种低耗、高效的光伏材料。它不仅能避免β-FeSi2成分局限、制备困难，还能避免硅基技术应用中晶体β-FeSi2与硅基体膜基界面失配等问题。这种新型半导体材料的制备与硅集成电路技术兼容，简单经济。它的潜在应用能与非晶硅相媲美，是非晶半导体中非常有前景的一种材料，有望应用到硅基光电器件、太阳能电池以及近红外探测器中。
　　非晶中的近程序决定了非晶材料的性能。但目前没有关于非晶Fe100-xSix薄膜成分范围与半导体性能和局域结构对应的系统研究结果，而这恰恰是制备和合理利用非晶Fe100-xSix薄膜的前提。另外，在Fe-Si二元体系中引入其它元素M，不仅可以提高非晶形成能力，还能在保持其近程序的前提下，拓展其成分范围增加其应用的灵活性。
　　因此，本文采用射频磁控溅射方法在Si(100)和Al2O3(0001)基片上制备了Fe100-xSix系(x=30.3～100at.％)非晶薄膜以及Fe-Si-C和Fe-Si-Mn三元非晶薄膜，并进行了薄膜的成分、微结构、带隙测量、退火晶化相、电阻率和热稳定性的分析。
　　本文从实验和理论两方面确定了非晶Fe-Si成分与局域结构的联系，验证了非晶结构模型对非晶Fe100-xSix局域结构解析的有效性。实验研究结果表明薄膜性能是分区变化的:30.3≤x≤50 at.％，无半导体性能区;50＜x＜87.5 at.％，具有直接带隙半导体性能区;87.5≤x≤100 at.％，具有间接带隙半导体性能区。采用“[团簇]（连接原子）lor3”非晶结构模型对薄膜的局域结构进行研究，从非晶Fe-Si相关晶体相ε-FeSi、β-FeSi2、 Si的基础团簇[Fe-Si7Fe6]、[Fe-Si8Fe2]和[Si-Si4]出发，也可将成分与基础团簇关系图区分为上述三个主区域。长时间真空退火后吸收系数减小，光学带隙比较稳定(～0.92eV)，不随退火时间和成分的变化而显著变化。
　　第三组元Mn和C的加入对非晶薄膜的电阻率和光学带隙的影响很小，但是C的加入明显提高了非晶稳定性，明确了二元非晶薄膜的光学带隙及电阻率基本不受掺杂的影响，稳定性比较好。
　　本研究对于明确非晶Fe100-xSix的局域结构和拓展具有半导体性能的非晶Fe100-xSix薄膜的应用具有实际指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 非晶态半导体材料

1．2 非晶Fe-Si的性能和结构研究

1．2．1 半导体性能

1．2．2 非晶Fe-Si的近程序研究

1．3 与半导体型非晶Fe-Si相关的晶态β-FeSi2

1．4 Fe-Si系统的掺杂研究

1．5 论文依据和主要内容

2 薄膜制备与分析方法

2．1 Fe-Si薄膜的制备工艺

2．2 Fe-Si-M薄膜的分析

2．2．1 薄膜成分分析

2．2．2 薄膜微结构分析

2．2．3 薄膜光学性能分析

2．2．4 薄膜电阻率分析

2．2．5 薄膜热稳定性分析

3 团簇理论

3．1 团簇来源

3．2 相图介绍

3．3 Fe-Si二元非晶团簇模型的建立

4 Fe-Si二元实验结果分析

4．1 薄膜成分和微结构分析

4．2 薄膜带隙特性分析

4．3 薄膜电阻率和晶化温度分析

4．4 薄膜局域结构的团簇解析

4．5 经DSC退火后薄膜的微结构

4．6 长时间退火后薄膜的微结构及带隙特性分析

4．7 小结

5 第三组元M对Fe-Si-M薄膜性能的影响

5．1 薄膜成分和微结构分析

5．1．1 薄膜成分分析

5．1．2 薄膜微结构分析

5．2 Fe-Si-M薄膜性能分析

5．2．1 基片对薄膜带隙测量的影响

5．2．2 Fe-Si-C和Fe-Si-Mn三元非晶薄膜的带隙特性分析

5．2．3 薄膜电阻率分析

5．2．4 薄膜晶化温度分析

5．2．5 三元薄膜与二元薄膜的性能对比

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢