镶嵌在SiC介质中的纳米晶硅薄膜结构与光致发光研究

摘要

纳米晶硅由于其新颖的纳米结构特征使它具有不同于单晶硅和非晶硅的结构、光学以及光电性能,使它在硅基光电子器件和第三代太阳能电池等领域有着广阔的应用前景。在综合评述了纳米晶硅薄膜材料研究进展的基础上,本文详细介绍了镶嵌在SiC介质中纳米晶硅薄膜的制备方法、实验设计、薄膜微观结构和光致发光特性的测量结果。采用磁控溅射共沉积技术在单晶硅(111)衬底上制备了不同工艺参数的Si1-xCx/SiC多层薄膜,然后在氩气保护下进行高温退火处理,利用Raman散射谱、X射线衍射(XRD)谱、傅里叶红外透射(FTIR)谱、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)等检测设备和技术系统地研究了制备工艺参数对Si1-xCx/SiC多层薄膜相结构、表面形貌、晶粒尺寸等微观结构以及发光性能的影响,并在此基础上探讨了光致发光的发光机理。
　　 当溅射气压为0.6 Pa时,得到的Si1-xCx/SiC多层薄膜表面较平整、致密,粗糙度较小,薄膜质量较好。常温下生长未退火和较低退火温度处理的薄膜的晶体结构仍然处于非晶相,当退火温度升到某一温度值时,非晶Si或SiC开始慢慢固相晶化,发生非晶态向纳米晶相的转变,逐渐形成了镶嵌在SiC介质中的纳米晶硅薄膜。但是退火温度达到何值时才发生晶化,受到复合靶上的Si/SiC面积比的影响,增加复合靶上的Si/SiC面积比可以降低Si1-xCx/SiC多层薄膜中纳米晶硅的晶化温度。另外随着退火温度升高和复合靶上的Si/SiC面积比增加,镶嵌在碳化硅介质中的纳米晶硅平均尺寸都逐渐增大,晶体的结晶质量也随之提高。在退火或制备过程有氧原子吸收进来与未饱和的硅悬挂键相互扩散,随着退火温度升高,形成更多的Si-O键,有更多的未饱和硅悬挂键被氧钝化。在室温下观察到了Si1-xCx/SiC多层薄膜的二个光致发光峰现象,随着退火温度升高和复合靶上Si/SiC面积比增加,二个光致发光峰都发生了明显的红移,但发光强度变化不一。我们用纳米晶硅表面的缺陷辐射复合发光束解释低能量发光峰,其发光机理归结为Si1-xCx/SiC多层簿膜中的未饱和的硅悬挂键有关的缺陷引起的发光,由于未饱和悬挂键钝化度的改变导致了该发光峰的红移。我们运用镶嵌在SiC介质中纳米晶硅薄膜的纳米结构引起的量子尺寸限制效应很好的解释了高能量发光峰,由于纳米晶硅晶粒的平均尺寸增加而导致了高能量PL峰的红移。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 纳米晶硅薄膜制备以及荧光特性的研究进展

1.2.1 纳米晶硅薄膜制备方法

1.2.2 纳米晶硅薄膜的荧光研究进展

1.3 本文主要的研究内容

2 镶嵌在SiC介质中的纳米晶硅薄膜的实验制备和表征方法

2.1 薄膜的制备技术

2.1.1 磁控溅射的基本原理

2.1.2 磁控溅射仪设备简述

2.2 镶嵌在SiC介质中的纳米晶硅薄膜的制备过程

2.2.1 基片预处理

2.2.2 复合靶材的制备

2.2.3 薄膜制备过程

2.3 薄膜表征

2.3.1 薄膜厚度的测量

2.3.2 拉曼光谱(Reman ScaRering)

2.3.3 X-射线衍射谱(XRD)

2.3.4 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.5 原子力显微镜(AFM)

2.3.6 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

2.3.7 荧光光谱(PL)

3 镶嵌在SiC介质中的纳米晶硅薄膜性能研究

3.1 实验方案

3.2 制备工艺参数对Si1-xCx/SiC多层薄膜结构的影响

3.2.1 不同溅射气压下制备的Si1-xCx/SiC多层薄膜的AFM分析

3.2.2 不同退火温度下Si1-xCx/SiC多层薄膜的XRD和Raman分析

3.2.3 不同退火温度下Si1-xCx/SiC多层薄膜的SEM分析

3.2.4 不同退火温度下Si1-xCx/SiC多层薄膜的红外光谱分析

3.2.5 不同Si/SiC面积比下Si1-xCx/SiC多层薄膜的XRD与Raman分析

3.2.6 小结

3.3 制备工艺参数对SiI-xC~/SiC多层薄膜光致发光特性的影响

3.3.1 退火温度对Si1-xCx/SiC多层薄膜的光致发光特性影响

3.3.2 复合靶上Si/SiC面积比对Si1-xCx/SiC多层薄膜光致发光特性影响

3.3.3 小结

4 主要结论和展望

4.1 主要结论

4.2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢