硅基硅碳氧薄膜發(fā)光材料的制備與特性研究.pdf

1、隨著芯片尺寸和線寬的縮小，電子漂移速度越來越成為芯片提速的瓶頸，用速度最快的光信號代替原來的電信號進(jìn)行信息的傳輸和處理是突破這一瓶頸的有效途徑。硅基發(fā)光材料由于其制造與超大規(guī)模集成電路硅平面工藝的兼容性成為發(fā)光器件的最佳選擇，而其獲得應(yīng)用的關(guān)鍵是提高發(fā)光效率。單晶硅是間接帶隙材料，其帶間輻射復(fù)合效率非常低，難以達(dá)到發(fā)光器件的要求。與之相比，納米結(jié)構(gòu)薄膜在光學(xué)、光電性能及成本等方面有更大優(yōu)勢，在發(fā)光器件、光探測器件、光電集成以及傳感器等領(lǐng)

2、域有更廣闊的應(yīng)用前景。 在綜合分析比較了各類硅基發(fā)光材料的制備方法、性能特征的基礎(chǔ)上，本文采用磁控濺射法在N型Si襯底上制備了硅碳氧薄膜和Al摻雜硅碳氧薄膜，并對薄膜樣品進(jìn)行了快速退火處理（RTP）。用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、紅外傅立葉光譜儀（FTIR）、X射線衍射儀（XRD）、熒光光譜儀（PL）等對樣品的表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、鍵合狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光等特性進(jìn)行了分析表征。 實(shí)驗(yàn)發(fā)

3、現(xiàn)SiC靶的濺射功率和工作氣壓對硅碳氧薄膜的沉積速率和表面形貌有較大影響，最佳工藝窗口為濺射功率：150W，工作氣壓：1.2Pa。隨SiC靶濺射功率增加，沉積速率增大，但并不呈線性關(guān)系，同時(shí)隨SiC靶濺射功率增大薄膜表面顆粒尺寸先增大后減小。隨工作氣壓升高薄膜的沉積速率先增大后減小，當(dāng)工作氣壓為1.2Pa時(shí)，沉積速率最大，且工作氣壓為1.0Pa～1.2Pa時(shí)，制備的薄膜表面平整性較好。 測試分析表明硅碳氧復(fù)合薄膜成分復(fù)雜，包含有

4、：晶態(tài)和非晶態(tài)SiO2成分，微小SiC晶粒，α-Si1-xCx，μc-Si，少量O摻入的α-Si與微量C團(tuán)簇成分。600℃退火后薄膜熒光特性最強(qiáng)，發(fā)射出370nm和470nm兩個(gè)發(fā)光峰。其發(fā)光機(jī)理可概括為：電子首先吸收不同能量的光子躍遷到SiO2氧空位缺陷能級、非晶態(tài)SiO2氧空位缺陷能級或6H-SiC納米晶粒能級；部分激發(fā)態(tài)電子通過與多聲子作用馳豫到Si中性氧空位缺陷（O3≡Si-Si≡O(shè)3）與空穴復(fù)合發(fā)出相應(yīng)的370nm熒光峰，部分

5、激發(fā)態(tài)電子通過與多聲子作用馳豫到6H-SiC晶粒表面缺陷態(tài)復(fù)合中心和空穴復(fù)合發(fā)出相應(yīng)的470nm熒光峰。 Al摻雜硅碳氧薄膜的組成并未發(fā)生明顯變化，但是Al的摻入促進(jìn)了薄膜中Si晶粒的形成，同時(shí)薄膜中出現(xiàn)了Si-O-Al結(jié)構(gòu)復(fù)合體。600℃退火Al摻雜硅碳氧薄膜光致發(fā)光最強(qiáng)，PL譜中出現(xiàn)了中心波長位于412nm的370nm～470nm的強(qiáng)發(fā)光帶。其發(fā)光機(jī)理可概括為：電子吸收不同能量的光子被激發(fā)到SiO2的Si-O或O≡Si-S