等離子體沉積Si-SiOx納米顆粒薄膜及發(fā)光特性的研究.pdf

1、硅是世界上礦藏最豐富，微電子工藝最成熟，光電集成最理想的半導體材料。但是由于硅是間接帶隙光電材料，躍遷幾率很低，引起硅的發(fā)光效率很低，并且發(fā)光不穩(wěn)定，因此硅基發(fā)光一直是硅光電集成中最重要的難題。
　　 1990年，T.Canham第一次發(fā)現(xiàn)了多孔硅在室溫下可以產(chǎn)生很強的光致發(fā)光現(xiàn)象，并且發(fā)射能量大于塊體單晶硅的帶隙寬度，這使人們意識到具有微納米結(jié)構(gòu)和豐富表面態(tài)的硅材料可以克服塊體單晶硅直接窄帶隙寬度難以發(fā)光的缺陷，就此開創(chuàng)了微納

2、米硅基光電薄膜材料的研究。而目前電化學等濕法制備不能滿足這一工業(yè)要求，故對新的制備方法的探索就顯得尤為迫切。等離子體沉積(PECVD)是微電子工業(yè)薄膜制備常用技術(shù)，其中近常壓環(huán)境中等離子體沉積的方法具有薄膜性能優(yōu)異且可控，設備簡單，成本低，清潔環(huán)保等優(yōu)勢，用其制備具有熒光特性的量子結(jié)構(gòu)與表面態(tài)結(jié)構(gòu)的Si/SiOx薄膜已成為目前硅基光電薄膜材料的研究熱點。本文在近常壓環(huán)境中，將等離子體放電區(qū)域和沉積區(qū)域分開，在沉積區(qū)加載負偏壓對沉積過程進

3、行調(diào)節(jié)。改變放電參數(shù)和偏壓條件可以實現(xiàn)對薄膜的形貌，結(jié)構(gòu)以及發(fā)光特性的有效控制，成功制備出大面積具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的Si/SiOx薄膜。由于氣壓條件和沉積過程的特殊性，制備出的薄膜既有很高的孔隙率，又同時具有納米顆粒結(jié)構(gòu)，且表面態(tài)豐富，并觀測到了良好的熒光特性。
　　 論文的研究主要包括以下三部分:
　　 第一部分:以多孔納米結(jié)構(gòu)為目標，設計新的實驗方法將等離子體放電區(qū)與沉積區(qū)分開，并對其放電特性進行研究
　　 為制備

4、出具有多孔特性的Si/SiOx納米發(fā)光薄膜，PECVD過程在近常壓環(huán)境中進行，并對電極形式進行改進，將等離子體放電區(qū)域和沉積區(qū)域截然分開，同時在沉積區(qū)加載負偏壓對沉積過程進行調(diào)節(jié)。等離子體沉積納米硅基發(fā)光薄膜的過程中，等離子體的放電特性與薄膜的生長過程緊密相關(guān)，同時極大的影響著薄膜的結(jié)構(gòu)及發(fā)光特性。因此，我們在論文的第三章對實驗用不同放電形式下的放電特性進行了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn):高頻介質(zhì)阻擋放電(DBD)在近常壓環(huán)境中的放電以多電流脈

5、沖的絲狀放電為主，升高放電電壓，放電的均勻性也隨之提高。低氣壓環(huán)境中的射頻(RF)射流放電類似于輝光放電，放電開啟電壓較高頻DBD放電大幅降低，且均勻性隨放電功率明顯提高。發(fā)射光譜研究表明，在本文討論的放電電壓范圍和功率的范圍內(nèi)，高頻DBD放電的電子溫度低于1eV，而RF射流等離子體中的電子溫度可達1.4-1.8eV。論文第四章用PIC模型對放電過程的數(shù)值模擬補充了實驗無法測量空白，高頻DBD放電模擬結(jié)果顯示，偏壓的引入改變的電場、電勢

6、等的分布，成為調(diào)節(jié)薄膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的有效手段，用“裂解后的離子在偏壓場中被極化”的觀點成功地解釋了這種現(xiàn)象。
　　 第二部分:實驗條件對薄膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)調(diào)控的研究
　　 論文第五章對薄膜表面形貌的SEM，TEM以及FESEM等測試表明，高頻DBD放電沉積的薄膜多孔蓬松，加入偏壓調(diào)節(jié)后，空隙率隨偏壓增大而增大。RF射流放電沉積的薄膜致密緊實，有Si的納米晶顆粒鑲嵌其中。FTIR，EDS，拉曼以及XPS結(jié)果顯示，近常壓環(huán)境的梳

7、狀放電沉積的薄膜以Si-O-Si為主，在低偏壓，低占空比時有少量Si-Si存在，Si-H的含量隨偏壓和占空比升高而減少。低氣壓射流放電沉積的薄膜中的Si-O-Si隨功率明顯減少，Si的納米晶體顆粒在較高的功率下出現(xiàn)。
　　 第三部分:沉積薄膜發(fā)光特性及發(fā)光機理的研究
　　 論文第六章對不同薄膜的PL和CL發(fā)光特性進行研究，結(jié)果顯示:近常壓環(huán)境中沉積薄膜在紫外光和高能電子的激發(fā)下發(fā)出藍光，PL和CL峰的位置不隨偏壓和占空比