Si/Ge纳米晶镶嵌SiO2薄膜的生长及光学特性研究

摘要

硅锗纳米材料由于自身的优良性能以及在光电方面展示出的与常规材料不同的特性，使得其在微电子和光电子领域内有着广泛的应用前景。其中，Si/Ge纳米复合薄膜，由于薄膜中Si/Ge纳米颗粒的引入，基于其量子限域效应等特性会产生光学带隙宽化，光致发光效应等独特的光电性能，在硅基光源、红外探测器、单电子器件、光伏材料等方面有着巨大的应用潜力。而生长高质量的Si/Ge纳米薄膜则是以上器件应用研究的关键。
　　本文利用反应磁控溅射的方法生长Si/Ge纳米晶镶嵌SiO2薄膜。研究了生长Si/Ge纳米晶的工艺条件，以及不同的制备条件对薄膜中纳米晶密度、尺寸、分布的影响。并利用分光光度计、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、荧光光谱等测试手段对样品进行表征。
　　本文通过Si纳米晶薄膜的生长研究，发现在常温下沉积的SiOx薄膜的成分与光学常数等特性能够通过溅射气氛，尤其是O2流量来调控。SiOx薄膜经过后期高温快速退火处理后可以得到少量Si纳米晶，此外，还探讨了不同的退火工艺对SiOx薄膜的影响和原因。
　　对于Ge纳米晶薄膜，本文在GeSiO混合膜层沉积完毕后，利用700℃真空退火，成功制备出高密度、小尺寸的Ge纳米晶，并研究了不同的溅射条件和退火温度对Ge纳米晶薄膜的影响。在单层Ge纳米晶薄膜的基础上，为了限制Ge纳米晶的尺寸，沉积了多层NC-Ge/SiO2薄膜，证明了SiO2阻隔层的作用，制备出了排布有序、尺寸均一的Ge纳米晶，并研究了其荧光光谱和光学带隙等特性。
　　本论文利用反应磁控溅射生长Si/Ge纳米晶镶嵌SiO2薄膜的研究对于后续进一步获得高质量Si/Ge纳米晶薄膜和相关器件的研究打下了基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 量子限域效应

1．2．2 制备方法

1．2．3 硅锗纳米晶的应用

1．3 本文研究工作

2 实验设备与方法

2．1 磁控溅射原理和设备

2．1．1 磁控溅射原理

2．1．2 磁控溅射镀膜设备简述

2．2 薄膜的沉积

2．3 薄膜的热处理

2．4 薄膜的结构表征

2．4．1 透过率与反射率光谱的测量

2．4．2 X射线光电子能谱

2．4．3 扫描电子式显微镜

2．4．4 透射电子显微镜

2．5 本章小结

3 Si纳米晶镶嵌SiO2薄膜的生长及表征

3．1 SiOx薄膜的沉积和表征

3．1．1 反应磁控溅射制各SiOx薄膜

3．1．2 溅射气体氛围对SiOx薄膜成分的影响

3．1．3 SiOx薄膜的光学特性

3．1．4 SiOx薄膜的结构特性

3．2 Si纳米晶薄膜的表征

3．2．1 SiOx薄膜的退火

3．2．2 高温真空慢退火对Si纳米晶的影响

3．2．3 高温快速退火对Si纳米晶的影响

3．3 本章小结

4 Ge纳米晶镶嵌SiO2薄膜的生长及表征

4．1 GeSiO膜层的沉积

4．1．1 单靶溅射的沉积速率及膜层成分研究

4．1．2 双靶共溅制备GeSiO膜层

4．2 Ge纳米晶薄膜的表征

4．2．1 GeSiO薄膜的退火

4．2．2 溅射气体氛围对Ge纳米晶的影响

4．2．3 退火温度对Ge纳米晶的影响

4．2．4 Ge纳米晶薄膜的光学带隙

4．3 本章小结

5 多层Ge纳米晶镶嵌SiO2薄膜的生长和表征

5．1 GeSiO／SiO2多层膜的生长

5．1．1 GeSiO／SiO2多层膜的结构设计

5．1．2 GeSiO／SiO2多层膜的沉积

5．2 多层Ge纳米晶薄膜的表征

5．2．1 GeSiO／SiO2多层膜的退火

5．2．2 NC-Ge／SiO2多层膜的PL谱

5．2．3 NC-Ge／SiO2多层膜的光学带隙

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文内容总结

6．2 未来工作展望

参考文献

作者简历