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《东华大学》 2011年
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等离子体沉积Si/SiO_x纳米颗粒薄膜及发光特性的研究

杨沁玉  
【摘要】:硅是世界上矿藏最丰富,微电子工艺最成熟,光电集成最理想的半导体材料。但是由于硅是间接带隙光电材料,跃迁几率很低,引起硅的发光效率很低,并且发光不稳定,因此硅基发光一直是硅光电集成中最重要的难题。 1990年,T.Canham第一次发现了多孔硅在室温下可以产生很强的光致发光现象,并且发射能量大于块体单晶硅的带隙宽度,这使人们意识到具有微纳米结构和丰富表面态的硅材料可以克服块体单晶硅直接窄带隙宽度难以发光的缺陷,就此开创了微纳米硅基光电薄膜材料的研究。而目前电化学等湿法制备不能满足这一工业要求,故对新的制备方法的探索就显得尤为迫切。等离子体沉积(PECVD)是微电子工业薄膜制备常用技术,其中近常压环境中等离子体沉积的方法具有薄膜性能优异且可控,设备简单,成本低,清洁环保等优势,用其制备具有荧光特性的量子结构与表面态结构的Si/SiOx薄膜己成为目前硅基光电薄膜材料的研究热点。本文在近常压环境中,将等离子体放电区域和沉积区域分开,在沉积区加载负偏压对沉积过程进行调节。改变放电参数和偏压条件可以实现对薄膜的形貌,结构以及发光特性的有效控制,成功制备出大面积具有网孔结构的Si/SiOx薄膜。由于气压条件和沉积过程的特殊性,制备出的薄膜既有很高的孔隙率,又同时具有纳米颗粒结构,且表面态丰富,并观测到了良好的荧光特性。 论文的研究主要包括以下三部分:第一部分:以多孔纳米结构为目标,设计新的实验方法将等离子体放电区与沉积区分开,并对其放电特性进行研究 为制备出具有多孔特性的Si/SiOx纳米发光薄膜,PECVD过程在近常压环境中进行,并对电极形式进行改进,将等离子体放电区域和沉积区域截然分开,同时在沉积区加载负偏压对沉积过程进行调节。等离子体沉积纳米硅基发光薄膜的过程中,等离子体的放电特性与薄膜的生长过程紧密相关,同时极大的影响着薄膜的结构及发光特性。因此,我们在论文的第三章对实验用不同放电形式下的放电特性进行了系统的研究。研究发现:高频介质阻挡放电(DBD)在近常压环境中的放电以多电流脉冲的丝状放电为主,升高放电电压,放电的均匀性也随之提高。低气压环境中的射频(RF)射流放电类似于辉光放电,放电开启电压较高频DBD放电大幅降低,且均匀性随放电功率明显提高。发射光谱研究表明,在本文讨论的放电电压范围和功率的范围内,高频DBD放电的电子温度低于1eV,而RF射流等离子体中的电子温度可达1.4-1.8eV。论文第四章用PIC模型对放电过程的数值模拟补充了实验无法测量空白,高频DBD放电模拟结果显示,偏压的引入改变的电场、电势等的分布,成为调节薄膜结构、性质的有效手段,用“裂解后的离子在偏压场中被极化”的观点成功地解释了这种现象。 第二部分:实验条件对薄膜的结构、性质调控的研究 论文第五章对薄膜表面形貌的SEM,TEM以及FESEM等测试表明,高频DBD放电沉积的薄膜多孔蓬松,加入偏压调节后,空隙率随偏压增大而增大。RF射流放电沉积的薄膜致密紧实,有Si的纳米晶颗粒镶嵌其中。FTIR, EDS,拉曼以及XPS结果显示,近常压环境的梳状放电沉积的薄膜以Si-O-Si为主,在低偏压,低占空比时有少量Si-Si存在,Si-H的含量随偏压和占空比升高而减少。低气压射流放电沉积的薄膜中的Si-O-Si随功率明显减少,Si的纳米晶体颗粒在较高的功率下出现。 第三部分:沉积薄膜发光特性及发光机理的研究 论文第六章对不同薄膜的PL和CL发光特性进行研究,结果显示:近常压环境中沉积薄膜在紫外光和高能电子的激发下发出蓝光,PL和CL峰的位置不随偏压和占空比升高改变,但是强度却大大提高。较高占空比下沉积薄膜的CL谱有新的发光峰出现,退火后PL峰也明显蓝移。低气压射流放电沉积薄膜的PL也出现较大的蓝移,且强度随放电功率减小。论文第七章的分析表明,Si的纳米晶体颗粒的量子限域效应,量子限制发光中心模型、和由H有关的发光基团可以解释每个发光峰的发光机理。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.2

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