硅基光電薄膜材料的制備與特性研究.pdf

1、Si基光電材料以其不可估量的應用前景，引起了世界范圍內的廣泛關注，Si基光電薄膜材料的制備與特性研究也成為當前半導體材料研究領域的熱門課題。 本論文以制備高質量的SiC、SiCN等光電薄膜材料以及探索新型場發(fā)射冷陰極材料為研究目標，主要取得了以下幾方面的研究結果。 (1)利用射頻濺射法制備了SiC薄膜。通過各種表征手段研究了襯底溫度對SiC薄膜的結構、光學、電學以及場發(fā)射特性的影響。800℃條件下制備的是多晶4H-SiC

2、薄膜，1000℃條件下實現(xiàn)了3C-SiC薄膜的濺射外延生長；研究了SiC薄膜的表面形貌特性；SiC薄膜的光學帶隙隨襯底溫度的增加而提高；SiC薄膜的直流電導激活能隨襯底溫度的增加而減??；研究了SiC薄膜的場發(fā)射特性與薄膜的表面形貌、厚度及內部結構的關系；采用電化學方法制備了多孔β-SiC薄膜結構，獲得了多孔β-SiC的室溫藍光發(fā)射。研究了腐蝕時間、HF酸占電解液的體積比和電流密度對多孔β-SiC發(fā)光特性的影響，腐蝕時間過長或電流密度較大

3、時會將導致硅襯底被部分腐蝕形成多孔Si層，引起較強的紅光發(fā)射。 (2)利用射頻反應濺射方法制備了SiCN薄膜。研究了N2流量和射頻功率對SiCN薄膜沉積速率的影響；襯底溫度為800℃時沉積的SiCN薄膜具有新型的結晶相結構；討論了SiCN薄膜表面形貌結構的變化原因；研究了襯底溫度、N2流量以及射頻功率對SiCN薄膜內部化學鍵合狀態(tài)的影響。SiCN薄膜內部具有復雜的化學鍵合態(tài)，800℃時制備的SiCN薄膜，其化學分子式近似為Si3

4、1C32N37；N2流量的增加導致SiCN薄膜的光學帶隙變寬；SiCN薄膜具有優(yōu)異的場發(fā)射特性，典型的開啟場強為10V/μm；首次發(fā)現(xiàn)了SiCN薄膜的室溫強可見光發(fā)射，發(fā)光中心分別位于470cm-1和580cm-1附近。由于納米SiC和納米Si的量子限制效應，導致這兩個發(fā)光峰出現(xiàn)藍移現(xiàn)象；利用射頻反應濺射法制備了三元SiCO及四元SiCON薄膜，討論了它們的強可見光發(fā)射與相應的發(fā)光機理。此外，利用共濺射的方法制備了稀土Tb3+離子摻雜的

5、SiCN、SiCO及SiCON薄膜，獲得了Tb3+離子的550cm-1特征發(fā)光峰；首次利用濺射法制備了硬度高達44.08GPa的SiCN薄膜，討論了SiCN薄膜的超硬特性與薄膜的結構、N含量及薄膜中復雜的化學鍵合態(tài)之間的關系。 (3)設計了應用于薄膜材料場發(fā)射特性測量的二極式測量裝置；研究了濺射CN薄膜的場發(fā)射特性。采用Fe/Si襯底生長CN薄膜，使薄膜的場發(fā)射特性得到了明顯的改善，并提高了場發(fā)射的穩(wěn)定性；研究了N離子注入DLC

6、薄膜的場發(fā)射特性，討論了N離子的注入劑量對開啟場強和最大的發(fā)射電流的影響；設計了一種制作CNT薄膜場發(fā)射陰極的簡單方法，研究了CNT薄膜的場發(fā)射特性。多次循環(huán)測量能有效降低CNT薄膜的場發(fā)射開啟場強和閾值場強。研究了薄膜中CNT的含量對場發(fā)射開啟場強的影響。CNT薄膜的場發(fā)射并不完全遵循F-N理論；研究了C離子注入SiO2薄膜的電學性質。由于C離子的注入，SiO2薄膜的表面電導提高了2～3個數(shù)量級。對于高注入劑量的SiO2薄膜，其Ⅰ-Ⅴ