射頻等離子體化學(xué)氣相沉積制備硅基發(fā)光薄膜的過程和性能研究.pdf

1、本文主要介紹了通過射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，利用SiH4和Ar作為反應(yīng)氣體，在不同的射頻功率條件下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)，制備出具有良好多晶結(jié)構(gòu)的硅基發(fā)光薄膜。并對(duì)薄膜的微觀形貌、晶態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和光致發(fā)光性能進(jìn)行了表征。通過對(duì)反應(yīng)等離子體發(fā)射光譜的診斷，研究射頻功率變化對(duì)于等離子體成分和各成分相對(duì)含量的影響，進(jìn)而研究SiH4等離子體相化學(xué)反應(yīng)、等離子體與固相材料的相互作用和等離子體成分、相對(duì)含量對(duì)于薄膜形貌、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性質(zhì)、化學(xué)成分

2、和光致發(fā)光性質(zhì)的影響。
　　 我們自行設(shè)計(jì)了單管式和套管式兩種反應(yīng)器，利用其構(gòu)造特點(diǎn)產(chǎn)生等離子體炬進(jìn)行沉積，具有等離子體產(chǎn)生的區(qū)域大小和位置可以調(diào)節(jié)、薄膜制備方便的特點(diǎn)。其中，套管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，放電強(qiáng)度高，但是管內(nèi)氣流分布不均勻的缺點(diǎn)還有待改進(jìn);單管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，放電區(qū)域便于調(diào)節(jié)，并且氣流分布均勻，是薄膜沉積實(shí)驗(yàn)中最終采用的反應(yīng)器類型。
　　 硅基薄膜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過SEM測試，發(fā)現(xiàn)射頻功率參數(shù)

3、對(duì)于薄膜形貌有很大影響，當(dāng)射頻功率60W時(shí)，薄膜由1μm左右的團(tuán)簇組成，組成團(tuán)簇的小顆粒尺寸約為50nm左右，表現(xiàn)出松散的形貌。隨著功率提高，小顆粒發(fā)生融合，團(tuán)簇也發(fā)生了輻射狀的取向生長，薄膜變得致密。通過XRD分析，薄膜在功率120W時(shí)呈現(xiàn)出Fcc結(jié)構(gòu)的多晶態(tài)，并根據(jù)Scherrer公式測算了晶粒粒徑。利用TEM測試對(duì)薄膜的晶型進(jìn)行了驗(yàn)證，與XRD結(jié)果完全一致，而且晶粒的實(shí)際尺寸也與計(jì)算值基本吻合。通過FTIR測試，發(fā)現(xiàn)隨著功率的提高

4、，薄膜中Si-H鍵含量趨于上升后達(dá)到飽和，而在120W功率條件時(shí)，Si-Si鍵的含量激增，而Si-O鍵的含量銳減，這有利于薄膜的結(jié)晶。其原因是功率增加有利于SiH4的裂解，進(jìn)而產(chǎn)生的H對(duì)于薄膜的硅結(jié)構(gòu)的還原和重整作用加強(qiáng)。
　　 薄膜的性能表征，我們進(jìn)行了光致發(fā)光譜的測試。利用280nm波長的光源作為激發(fā)光，得到了在390nm和470nm兩個(gè)光致發(fā)光峰，波長390nm的發(fā)光峰源于硅晶粒與SiO2基質(zhì)之間的界面結(jié)構(gòu)缺陷，而波長47

5、0nm的發(fā)光峰源于薄膜中(O3=Si-Si=O3)結(jié)構(gòu)的中性氧空位缺陷。這兩個(gè)發(fā)光峰的強(qiáng)度均隨著射頻功率的提高而下降，原因是薄膜自身雜質(zhì)O含量下降，以及薄膜結(jié)構(gòu)變得致密后不宜氧化，導(dǎo)致發(fā)光中心減少。
　　 借助發(fā)射光譜診斷，對(duì)于反應(yīng)等離子體的成分及其相對(duì)含量進(jìn)行了測定。發(fā)現(xiàn)SiH*和H*的譜線強(qiáng)度均隨功率提高而增強(qiáng)，這說明SiH4的裂解程度提高。其中Hα的強(qiáng)度逐漸趨于飽和，這可能與反應(yīng)氣體總量一定有關(guān);Hβ的強(qiáng)度卻在功率120W