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(yīng)用前景，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，Si基光電薄膜材料的制備與特性研究也成為當(dāng)前半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的熱門課題。 本論文以制備高質(zhì)量的SiC、SiCN等光電薄膜材料以及探索新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料為研究目標(biāo)，主要取得了以下幾方面的研究結(jié)果。 (1)利用射頻濺射法制備了SiC薄膜。通過(guò)各種表征手段研究了襯底溫度對(duì)SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)以及場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了3C-SiC薄膜的濺射外延生長(zhǎng)；研究了SiC薄膜的表面形貌特性；SiC薄膜的光學(xué)帶隙隨襯底溫度的增加而提高；SiC薄膜的直流電導(dǎo)激活能隨襯底溫度的增加而減小；研究了SiC薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性與薄膜的表面形貌、厚度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系；采用電化學(xué)方法制備了多孔β-SiC薄膜結(jié)構(gòu)，獲得了多孔β-SiC的室溫藍(lán)光發(fā)射。研究了腐蝕時(shí)間、HF酸占電解液的體積比和電流密度對(duì)多孔β-SiC發(fā)光特性的影響，腐蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或電流密度較大

3、時(shí)會(huì)將導(dǎo)致硅襯底被部分腐蝕形成多孔Si層，引起較強(qiáng)的紅光發(fā)射。 (2)利用射頻反應(yīng)濺射方法制備了SiCN薄膜。研究了N2流量和射頻功率對(duì)SiCN薄膜沉積速率的影響；襯底溫度為800℃時(shí)沉積的SiCN薄膜具有新型的結(jié)晶相結(jié)構(gòu)；討論了SiCN薄膜表面形貌結(jié)構(gòu)的變化原因；研究了襯底溫度、N2流量以及射頻功率對(duì)SiCN薄膜內(nèi)部化學(xué)鍵合狀態(tài)的影響。SiCN薄膜內(nèi)部具有復(fù)雜的化學(xué)鍵合態(tài)，800℃時(shí)制備的SiCN薄膜，其化學(xué)分子式近似為Si3

4、1C32N37；N2流量的增加導(dǎo)致SiCN薄膜的光學(xué)帶隙變寬；SiCN薄膜具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性，典型的開啟場(chǎng)強(qiáng)為10V/μm；首次發(fā)現(xiàn)了SiCN薄膜的室溫強(qiáng)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(yīng)，導(dǎo)致這兩個(gè)發(fā)光峰出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象；利用射頻反應(yīng)濺射法制備了三元SiCO及四元SiCON薄膜，討論了它們的強(qiáng)可見光發(fā)射與相應(yīng)的發(fā)光機(jī)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(dá)44.08GPa的SiCN薄膜，討論了SiCN薄膜的超硬特性與薄膜的結(jié)構(gòu)、N含量及薄膜中復(fù)雜的化學(xué)鍵合態(tài)之間的關(guān)系。 (3)設(shè)計(jì)了應(yīng)用于薄膜材料場(chǎng)發(fā)射特性測(cè)量的二極式測(cè)量裝置；研究了濺射CN薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性。采用Fe/Si襯底生長(zhǎng)CN薄膜，使薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性得到了明顯的改善，并提高了場(chǎng)發(fā)射的穩(wěn)定性；研究了N離子注入DLC

6、薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性，討論了N離子的注入劑量對(duì)開啟場(chǎng)強(qiáng)和最大的發(fā)射電流的影響；設(shè)計(jì)了一種制作CNT薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的簡(jiǎn)單方法，研究了CNT薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性。多次循環(huán)測(cè)量能有效降低CNT薄膜的場(chǎng)發(fā)射開啟場(chǎng)強(qiáng)和閾值場(chǎng)強(qiáng)。研究了薄膜中CNT的含量對(duì)場(chǎng)發(fā)射開啟場(chǎng)強(qiáng)的影響。CNT薄膜的場(chǎng)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(xué)性質(zhì)。由于C離子的注入，SiO2薄膜的表面電導(dǎo)提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于高注入劑量的SiO2薄膜，其Ⅰ-Ⅴ