激光辐照SiO_x薄膜的结构与性能研究

【摘要】：低维硅结构可以提高硅光发射的量子效率。镶嵌在二氧化硅中的纳米硅材料体系具有良好的热稳定性,与硅基半导体技术相容性高,发展前景良好。该体系的最有效的制备方法是退火SiO_x。与热退火相比,激光退火具有加工速度快、加区区域可控制的优点。本文研究了SiO_x薄膜激光退火后的结构特点和发光性能,对SiO_x薄膜退火后结构的形成机理进行了分析,并在透射电镜的原位实验中观察了不同温度下电子束辐照SiO_x的结构变化。此研究为激光辐照技术在硅基器件上的应用提供了可靠的基础理论,有很大的研究潜力。主要内容以及结论如下:(1)通过不同功率密度的激光辐照SiO_x薄膜,发现当激光功率密度大于1.0×10~7W/cm~2时,激光退火SiO_x能形成纳米硅。由于激光的能量特点以及SiO_x的缺陷,SiO_x薄膜在激光退火后会产生凸起、球状空腔以及点状损伤形貌。通过拉曼光谱获得SiO_x薄膜激光退火后的纳米硅的尺寸分布和结晶特点:晶粒尺寸与激光功率密度以及退火时间有关;晶粒的形成需要一定的时间;结晶度与薄膜的深度有关。通过SiO_x激光退火后的荧光光谱,得到SiO_x退火后的发光峰位于700nm附近。(2)通过FIB制备平行于激光加工方向以及垂直于加工方向的SiO_x薄膜截面样品,并在透射电子显微镜中比较不同方向的截面样品的结构特征。结合激光能量呈高斯分布的特点以及EDS和EELS谱分析,将SiO_x薄膜激光退火后的显微结构分为五部分:熔化区、熔覆区、多孔二氧化硅区、硅结晶区以及基底区。(3)通过透射电子显微镜中的原位实验观察在不同电子束密度辐照下SiO_x随温度的结构变化。在高温高密度电子束辐照下,发现硅纳米颗粒以及孔洞的形成。SiO_x中孔洞的产生是温度与电子束辐照共同的作用。温度是使SiO_x发生相分离的主要因素。电子束辐照可以使SiO_x的相分离过程加快。在高密度电子束辐照下,SiO_x存在一个破坏阈值温度,低于该温度,电子束辐照可以加速晶粒的形成;高于该温度,电子束辐照会对SiO_x造成破坏。SiO_x仅仅经过热退火很难形成多孔结构,多孔结构的形成需要更高密度的能量。