常压等离子体化学气相沉积制备纳米多孔硅基薄膜的过程和特性研究

摘要

本文中主要阐述了通过常压介质阻挡放电等离子体化学气相沉积(APECVD)方法，利用硅烷(SiH4)为硅源，与氩气(Ar)、氢气(H2)按照一定配比混合，在不同的反应条件下进行气相沉积反应，并通过引入脉冲负偏压调节薄膜的微观结构、形态和性能，制备了带有新颖结构和特殊蓝紫光发光特性的硅基薄膜。 本实验中所采用的实验装置为自行设计组装的常压介质阻挡放电装置，并配合以混合气路。该PECVD在制备薄膜上有着：放电形式简单，设备成本较之低气压等离子体设备大大降低；自行设计的交叉梳状式立体电极，耗能较低，并且产生的等离子体区域稳定均匀，所形成的气体通道利于反应气体充分均匀反应，达到较优的沉积效果。本常压等离子体介质阻挡放电为干法制备，更为符合光电子器件领域的要求，优于传统的电化学等众多湿法制备多孔硅的方法。 在对介质阻挡放电参量进行的测定及分析的基础上对PECVD的等离子体薄膜制备过程进行了探讨。整个实验中，介质阻挡放电频率在30-40kHZ范围，电压值在6-12kV范围，放电功率值在2.6-4.0W范围。通过介质阻挡放电发射光谱与放电条件的关系，并对电子温度的加以测量计算，从机理上分析了放电条件和多孔硅基薄膜的沉积过程的关系。并且根据SiH4分子因受电子碰撞发生离解过程所需的能量不同，可以推算出本实验方法产生的硅烷与氩等离子体中，硅烷有不同程度的裂解。 对本法制备的硅基薄膜进行了表征。通过SEM测试结果发现了硅烷流量和衬底偏压对薄膜的表面形貌的形成都有着直接的影响。发现Ar：H2：SiH4=7.5L/min：30ml/min：15ml/min下大大减少了团聚情况，薄膜更为均匀。并且随着偏压的引入，使得硅基薄膜的表面形态和结构由颗粒团聚转变为纳米絮状多孔结构，并且随着偏压的增加，硅线尺度逐渐变小，并且多孔结构越加明显。采用了正电子湮没技术对多孔硅基薄膜进行了研究。发现在偏压条件下，较好地减少了缺陷类型，并可近似地认为只有一种缺陷类型，消除了不少点缺陷类型，为制备较高质量的硅基薄膜提供了重要的作用。同时通过对其S参数的分析证实了薄膜呈现出来明显的多孔结构，并且孔隙较大，这与SEM观测结果完全符合。EDS对其化学成分进行了证实，同时通过FTIR指认了红外特征峰，并研究了放电功率以及偏压对红外谱的影响，结果表明，薄膜存在Si—O—Si结构，且随放电功率增加，Si—O—Si特征峰强度增大。通过XPS我们确定了该硅基薄膜中含有的三种主要的不同价态的硅，分别为Si0，Si2+和Si3+，其中Si2+的百分比含量最高，其次是Si3+。 对纳米多孔硅基薄膜的光致荧光进行了分析。发现，该多孔硅基薄膜的光致发光的谱线带主要集中与蓝紫光区，主峰值在400nm附近，并且峰较窄，从430nm起存有较明显的宽峰谱带，据此判断，此光致荧光现象有多种不同产生机理同时存在。对发光谱图进行了高斯拟合分峰。结果发现，该光致发光谱基本上可以用峰位在3.15eV(393nm)，2.71eV(457nm)和2.31eV(535nm)的三条高斯曲线完美拟合，表征了该薄膜可能存在若干种发光机制。对应于SEM的表面结构的结果，我们也研究了偏压对发光强度的影响。发现随着偏压的增加，薄膜的发光强度也有着明显地增加。由此判断，微纳米级硅丝所组成的絮状多孔结构，与光致发光之间有着必然的联系。对此薄膜的发光强度随时间的变化的研究，表明该薄膜的光致发光有着较好的时效性。最后我们也对该薄膜的发光机理进行了初步的分析和探讨，认为，该发光主要是由于量子限域效应和氧缺陷所引起。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

§1.1 多孔硅基薄膜的研究进展

§1.1.1研究硅基薄膜的重要意义

§1.1.2硅基发光材料的研究发展

§1.1.3多孔硅的发光性能及发光机理

§1.2 等离子体化学气相沉积

§1.2.1等离子体概述

§1.2.2等离子体化学气相沉积技术

§1.2.3常压等离子体化学气相沉积及其机制

§1.3 本文的研究内容与创新点

§1.3.1本文的结构

§1.3.2本文的创新点

参考文献

第2章实验设计

§2.1 常压等离子体化学气相沉积薄膜实验

§2.1.1实验装置与特点

§2.1.2制样方法与过程

§2.1.3常压介质阻挡放电参量的测定

§2.1.4等离子体发射光谱的诊断研究及电子温度的测定

§2.2 纳米硅基薄膜的表征

§2.2.1表面物理形态

§2.2.2膜的缺陷分析

§2.2.3薄膜的化学组成

§2.2.4膜的化学结构

§2.2.5膜的化学成分

§2.3 多孔硅基薄膜的发光特性的研究

第3章常压等离子化学气相沉积放电过程的研究

§3.1 介质阻挡放电的特征

§3.1.1丝状放电

§3.1.2大气压辉光放电

§3.2 介质阻挡放电的物理过程

§3.3 介质表面电荷对后续放电的影响

§3.4 介质阻挡放电特性分析

§3.5 介质阻挡放电特性分析

§3.5.1介质阻挡放电功率

§3.5.2李萨如图形测量原理

§3.5.3李萨如图形测量结果及讨论

§3.6 介质阻挡放电发射光谱诊断研究

§3.6.1介质阻挡放电等离子体光谱诊断装置简述

§3.6.2等离子体发射光谱测量结果及分析

§3.7 本章小结

参考文献

第4章PECVD制备纳米多孔硅基薄膜的表征

§4.1 纳米硅基薄膜的表面形貌

§4.1.1薄膜沉积过程和表面形貌

§4.1.2硅烷流量对薄膜沉积的影响

§4.1.3衬底偏压对薄膜的表面形貌的影响

§4.2 正电子湮没技术对多孔硅基薄膜的研究

§4.2.1正电子湮没技术和慢正电子束流实验

§4.2.2偏压对薄膜的点缺陷类型的影响

§4.2.3慢速正电子湮灭S参数的分析

§4.3 薄膜的化学组成和化学结构分析

§4.3.1薄膜的化学组成

§4.3.2傅里叶红外吸收谱的化学结构分析

§4.3.3薄膜的X射线光电子能谱分析

§4.4 本章小结

参考文献

第5章纳米多孔硅基薄膜的微结构及其发光特性的研究

§5.1 纳米多孔硅基薄膜的光致发光特性

§5.1.1电化学方法制备的多孔硅的发光和吸收

§5.1.2纳米多孔硅基薄膜的蓝光区光致发光

§5.1.3光致发光谱的拟合

§5.2 光致发光强度影响因素的讨论

§5.2.1偏压对发光强度的影响

§5.2.2光致荧光的时效性

§5.3 荧光的产生机理分析和探讨

§5.4 本章小结

参考文献

第6章结论

攻读学位期间论文发表情况

致谢