磁控濺射法制備硅基薄膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究.pdf

1、納米硅基薄膜材料有許多不同于單晶硅的結(jié)構(gòu)、光學(xué)以及光電性能，它在發(fā)光器件、光探測器件、光電集成器件以及傳感器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。如果能夠使硅基薄膜材料在可見光范圍內(nèi)具有良好的發(fā)光特性，那么這種重要的薄膜材料則有可能在飛速發(fā)展的光電子學(xué)中成為下一代電子學(xué)革命的基礎(chǔ)材料。 本論文研究的目標(biāo)是用磁控濺射法制備硅基薄膜，研究其濺射的工藝參數(shù)以及退火溫度對制備硅基薄膜厚度、微結(jié)構(gòu)以及發(fā)光性能的影響，研究的結(jié)果不但有利于確定制備特定結(jié)

2、構(gòu)的硅基薄膜，而且亦有利于其發(fā)光機(jī)理的進(jìn)一步探索。 本文在綜合評述硅基薄膜材料的研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，采用磁控濺射技術(shù)在Si(111)基片上制備了不同工藝參數(shù)的Ge/Si多層薄膜、Si/SiO2超品格、富Sn的SiO2復(fù)合薄膜材料，隨后在氬氣保護(hù)下對薄膜樣品進(jìn)行高溫退火處理。采用Raman散射、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)等檢測設(shè)備和技術(shù)研究了制備的工藝參數(shù)對Ge/Si多層薄膜、Si/SiO2超晶

3、格、富Sn的SiO2復(fù)合薄膜成分、相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及發(fā)光性能等的影響。 在常溫下沉積的Ge/Si多層薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，然而在襯底溫度為300℃下沉積的薄膜已經(jīng)形成了晶體結(jié)構(gòu)。Si層濺射功率為100 W的薄膜表面致密平整，顆粒尺寸大小約為25 nm。當(dāng)Ge/Si多層薄膜在500℃退火后，由于Ge層與Si層相互擴(kuò)散滲透，Ge/Si多層薄膜轉(zhuǎn)化成GeSi合金。但退火溫度升高到800℃時，薄膜各層晶體質(zhì)量均已得到改善，Ge原子可能已經(jīng)擴(kuò)

4、散移動到界面形成間隙原子，形成了Ge納米晶和Si納米晶，此時Ge/Si多層膜的結(jié)構(gòu)完整性較好。 原生沉積的Si/SiO2超晶格中Si子層為非晶結(jié)構(gòu)，只有在退火溫度高達(dá)1100℃時，硅晶化部分才急劇增加，由非晶態(tài)開始固相晶化并析出晶粒形成硅納米晶體(nc-Si)/SiO2超晶格結(jié)構(gòu)。隨著退火溫度的升高，超晶格結(jié)構(gòu)中的顆粒平均直徑增大，晶體的結(jié)晶質(zhì)量也隨之提高。低功率下沉積的Si/SiO2超晶格薄膜表面非常平整致密，晶粒尺寸分布比較

5、均勻，大小約為20 nm。在室溫下觀察到了Si/SiO2超晶格可見光致發(fā)光現(xiàn)象，退火前后所有的樣品都出現(xiàn)了779 nm的PL峰，并當(dāng)Si子層厚度發(fā)生改變時其峰位沒有移動，其發(fā)光機(jī)理歸結(jié)為納米晶體(nc-Si)/SiO2界面處Si=O局域態(tài)引起的缺陷輻射復(fù)合發(fā)光。而當(dāng)超晶格樣品在1100℃退火后，PL譜上才出現(xiàn)位于660 nm附近的發(fā)光峰，其峰位隨Si子層厚度的減小而發(fā)生藍(lán)移，符合用量子限制效應(yīng)解釋的發(fā)光模型。 鑲嵌在SiO2基質(zhì)

6、中的Sn納米晶復(fù)合薄膜表面致密光滑，顆粒尺寸大小均勻，隨著退火溫度的升高，顆粒尺寸從30 nm(500℃)增大到50 nm(700℃)。在高溫退火的最初階段Sn原子析出到有限數(shù)量的成核點上，然后隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，Sn原子在體內(nèi)擴(kuò)散逐漸聚集形成大的納米晶顆粒。薄膜在室溫下能觀測到位于336nm的發(fā)光峰，經(jīng)600℃高溫退火處理后能觀測到400 nm附近的光發(fā)射。經(jīng)分析表明，位于336 nm處的發(fā)光是由于缺陷、納米晶顆粒與氧空位相關(guān)的