硅基β-FeSi2薄膜材料的制備、結構和光電性能研究.pdf

1、硅基光電子是信息產業(yè)發(fā)展的重要方向之一,對國民經濟的發(fā)展、科學技術的進步具有重要的意義,是國際信息領域研究的重點之一。但是,到目前為止,硅基光電子技術的關鍵——室溫硅基發(fā)光,依舊沒有解決。半導體金屬硅化物β-FeSi2具有0.85eV左右的直接帶隙,可能得到近紅外的發(fā)光,因此硅基β-FeSi2的研究和開發(fā)引起了人們的廣泛關注和重視。
　　 本文采用電子束蒸發(fā)(EBE)和脈沖激光沉積(PLD)等薄膜材料制備方法,制備出不同結構的硅

2、基β-FeSi2薄膜材料,研究了各種工藝參數對薄膜結構和相關性能的影響;同時,通過添加SiNx緩沖層,成功得到了β-FeSi2薄膜的光致發(fā)光。取得主要創(chuàng)新結果如下:
　　 采用電子束蒸發(fā)結合后續(xù)熱處理的方法,制備了不同結構的β-FeSi2薄膜,并研究熱處理溫度對β-FeSi2相變的影響。發(fā)現薄膜態(tài)的β-FeSi2和α-FeSi2之間的轉化溫度大約在800℃-850℃之間,比體相的β-FeSi2和α-FeSi2之間的轉化溫度低。研

3、究還發(fā)現在Fe-Si薄膜的熱處理過程中,當高溫相的α-FeSi2形成后,將很難再轉化為低溫穩(wěn)定相β-FeSi2。對于結構優(yōu)化的薄膜,吸收光譜的研究結果表明:經過800℃5小時熱處理后,薄膜均具有明顯的直接帶隙,禁帶寬度約為0.85-0.87eV。此外,對于結構為Si/Fe/Si和Fe/Si的薄膜,隨著薄膜中Fe層厚度的增加,薄膜中晶體質量均出現明顯的下降;當Fe的厚度為100nm時,由于Fe原子在單晶Si和非晶Si之間擴散特性不同,造成

4、兩種不同結構的樣品熱處理后生成不同的相。
　　 采用電子束蒸發(fā)反應沉積的方法制備了不同結構的Fe-Si薄膜,研究了襯底溫度、薄膜厚度等因素對最終形成薄膜的相分布、晶粒尺寸等的影響。研究結果表明選擇合適的襯底溫度和厚度,電子束蒸發(fā)反應沉積法可以制備晶粒大小可控并且均勻的薄膜。當襯底溫度為850℃時,Fe原子在襯底表面的解吸附比例非常大,導致只有很少的Fe原子沉積下來形成穩(wěn)定的Fe-Si薄膜。當襯底溫度為800℃和700℃時,可以通

5、過電子束蒸發(fā)反應沉積法直接得到β-FeSi2薄膜,該薄膜均具有0.85eV左右的直接帶隙,而更低的襯底溫度下無法直接得到β-FeSi2薄膜。隨著襯底溫度的降低,制備的薄膜晶體質量也出現明顯的下降。
　　 通過脈沖激光沉積法,分別采用單質Fe和Si靶材以及不同化學配比的Fe-Si合金靶材,制備不同結構的薄膜,并研究各工藝參數對β-FeSi2薄膜的結構和光學性能的影響。當采用單質Fe和Si靶材時,對于制備的各種不同結構的薄膜,經過8

6、00℃的熱處理后均可以得到純的β-FeSi2相。同時發(fā)現薄膜的應力狀態(tài)不同,只沉積一層Fe薄膜的樣品β-FeSi2所處的應力最大,導致其FTIR譜的峰位明顯偏移;而沉積了一層Si和Fe的樣品應力狀態(tài)有所緩解;對于沉積了Si/Fe/Si三層薄膜的C結構,由于Fe和Si原子可以充分反應,生成的β-FeSi2所處的應力最小;不僅如此,應力狀態(tài)的不同還會導致了不同結構β-FeSi2薄膜的禁帶寬度不同。研究還指出,采用合金靶時,當沉積時間為60分

7、鐘時,所有沉積得到的樣品經過熱處理后均能形成β-FeSi2,但只有Fe和Si的原子化學配比為1:5和1:10的靶材制備的樣品的吸收光譜出現了β-FeSi2相關的光吸收。
　　 最后,通過在β-FeSi2薄膜和單晶Si襯底之間添加一層SiNx作為緩沖層,成功的得到了β-FeSi2的低溫光致發(fā)光。研究表明:SiNx緩解了β-FeSi2生長過程中的應力,減小了晶格扭曲,改變了能帶結構,可能是在β-FeSi2的禁帶中引入了淺能級,使β-