等離子體沉積Si-SiOx納米顆粒薄膜及發(fā)光特性的研究.pdf

1、硅是世界上礦藏最豐富，微電子工藝最成熟，光電集成最理想的半導(dǎo)體材料。但是由于硅是間接帶隙光電材料，躍遷幾率很低，引起硅的發(fā)光效率很低，并且發(fā)光不穩(wěn)定，因此硅基發(fā)光一直是硅光電集成中最重要的難題。
　　 1990年，T.Canham第一次發(fā)現(xiàn)了多孔硅在室溫下可以產(chǎn)生很強(qiáng)的光致發(fā)光現(xiàn)象，并且發(fā)射能量大于塊體單晶硅的帶隙寬度，這使人們意識(shí)到具有微納米結(jié)構(gòu)和豐富表面態(tài)的硅材料可以克服塊體單晶硅直接窄帶隙寬度難以發(fā)光的缺陷，就此開創(chuàng)了微納

2、米硅基光電薄膜材料的研究。而目前電化學(xué)等濕法制備不能滿足這一工業(yè)要求，故對(duì)新的制備方法的探索就顯得尤為迫切。等離子體沉積(PECVD)是微電子工業(yè)薄膜制備常用技術(shù)，其中近常壓環(huán)境中等離子體沉積的方法具有薄膜性能優(yōu)異且可控，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，用其制備具有熒光特性的量子結(jié)構(gòu)與表面態(tài)結(jié)構(gòu)的Si/SiOx薄膜已成為目前硅基光電薄膜材料的研究熱點(diǎn)。本文在近常壓環(huán)境中，將等離子體放電區(qū)域和沉積區(qū)域分開，在沉積區(qū)加載負(fù)偏壓對(duì)沉積過程進(jìn)

3、行調(diào)節(jié)。改變放電參數(shù)和偏壓條件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的形貌，結(jié)構(gòu)以及發(fā)光特性的有效控制，成功制備出大面積具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的Si/SiOx薄膜。由于氣壓條件和沉積過程的特殊性，制備出的薄膜既有很高的孔隙率，又同時(shí)具有納米顆粒結(jié)構(gòu)，且表面態(tài)豐富，并觀測(cè)到了良好的熒光特性。
　　 論文的研究主要包括以下三部分:
　　 第一部分:以多孔納米結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方法將等離子體放電區(qū)與沉積區(qū)分開，并對(duì)其放電特性進(jìn)行研究
　　 為制備

4、出具有多孔特性的Si/SiOx納米發(fā)光薄膜，PECVD過程在近常壓環(huán)境中進(jìn)行，并對(duì)電極形式進(jìn)行改進(jìn)，將等離子體放電區(qū)域和沉積區(qū)域截然分開，同時(shí)在沉積區(qū)加載負(fù)偏壓對(duì)沉積過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。等離子體沉積納米硅基發(fā)光薄膜的過程中，等離子體的放電特性與薄膜的生長(zhǎng)過程緊密相關(guān)，同時(shí)極大的影響著薄膜的結(jié)構(gòu)及發(fā)光特性。因此，我們?cè)谡撐牡牡谌聦?duì)實(shí)驗(yàn)用不同放電形式下的放電特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn):高頻介質(zhì)阻擋放電(DBD)在近常壓環(huán)境中的放電以多電流脈

5、沖的絲狀放電為主，升高放電電壓，放電的均勻性也隨之提高。低氣壓環(huán)境中的射頻(RF)射流放電類似于輝光放電，放電開啟電壓較高頻DBD放電大幅降低，且均勻性隨放電功率明顯提高。發(fā)射光譜研究表明，在本文討論的放電電壓范圍和功率的范圍內(nèi)，高頻DBD放電的電子溫度低于1eV，而RF射流等離子體中的電子溫度可達(dá)1.4-1.8eV。論文第四章用PIC模型對(duì)放電過程的數(shù)值模擬補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)無法測(cè)量空白，高頻DBD放電模擬結(jié)果顯示，偏壓的引入改變的電場(chǎng)、電勢(shì)

6、等的分布，成為調(diào)節(jié)薄膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的有效手段，用“裂解后的離子在偏壓場(chǎng)中被極化”的觀點(diǎn)成功地解釋了這種現(xiàn)象。
　　 第二部分:實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)調(diào)控的研究
　　 論文第五章對(duì)薄膜表面形貌的SEM，TEM以及FESEM等測(cè)試表明，高頻DBD放電沉積的薄膜多孔蓬松，加入偏壓調(diào)節(jié)后，空隙率隨偏壓增大而增大。RF射流放電沉積的薄膜致密緊實(shí)，有Si的納米晶顆粒鑲嵌其中。FTIR，EDS，拉曼以及XPS結(jié)果顯示，近常壓環(huán)境的梳

7、狀放電沉積的薄膜以Si-O-Si為主，在低偏壓，低占空比時(shí)有少量Si-Si存在，Si-H的含量隨偏壓和占空比升高而減少。低氣壓射流放電沉積的薄膜中的Si-O-Si隨功率明顯減少，Si的納米晶體顆粒在較高的功率下出現(xiàn)。
　　 第三部分:沉積薄膜發(fā)光特性及發(fā)光機(jī)理的研究
　　 論文第六章對(duì)不同薄膜的PL和CL發(fā)光特性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示:近常壓環(huán)境中沉積薄膜在紫外光和高能電子的激發(fā)下發(fā)出藍(lán)光，PL和CL峰的位置不隨偏壓和占空比