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硅基纳米金刚石膜生长及其发光器件

梁兴勃  
【摘要】: 近年来,纳米金刚石膜(NDF)的生长技术、生长机理及其应用引起了人们巨大的研究热情,成为了目前CVD金刚石膜研究中的热点之一。 金刚石具有5.47eV的宽禁带和80meV的高激子束缚能,在紫外和可见发光器件方面具有独特的优势。众所周知,硅是最重要的半导体材料,它是集成电路的基础材料。然而,硅中的非辐射复合效应非常严重,很难直接用于制备发光器件。因此,将金刚石和硅的各自的优势相结合,形成硅基金刚石发光器件,不仅在理论上有重要的探索意义,而且在硅基光电子领域有良好的应用前景。 本文探索了在低成本的PECVD和热丝CVD设备中经济、有效、大面积生长NDF的方法,在此基础上进一步研究了具有不同颗粒尺寸的NDF的热稳定性和发光特性,并制备了硅基diamond/Si异质结及金刚石的MIS器件,对这两类器件的电致发光特性及载流子输运机制进行了系统的研究,取得如下有创新意义的结果: (1)采用常规的13.56MHzr.f-PECVD设备和CO/H_2混合气体,在较低的衬底温度(500℃)和反应压强(200-300Pa)条件下,实现了Si衬底上纳米金刚石薄膜的大面积(5×5cm~2)均匀沉积。研究发现:沉积纳米金刚石膜的最佳CO/H_2比例为12∶1,在此条件下制备的纳米金刚石膜致密均匀、平均颗粒尺寸约20-30nm,表面粗糙度低于15nm,具有良好的膜-衬间结合力。 (2)发展了一种在不加偏压和气源中无Ar等惰性气体的条件下,利用热丝CVD设备在低气压(~125Pa)下生长纳米金刚石膜的技术,并成功制备出了表面光滑、具有较高的光透射率的超薄纳米金刚石膜。分析和讨论了反应压强对金刚石膜的生长过程、颗粒尺寸、和生长速度的影响,阐述了低气压下纳米金刚石膜的生长机理,提供了一种新的纳米金刚石膜的制备途径。 (3)利用快速热处理(RTP)方法比较性地研究了亚微米、纳米金刚石膜、和类金刚石碳膜的热稳定性。研究表明:亚微米金刚石膜在900℃以下具有良好的热稳定性,经1100℃以上RTP处理后薄膜表面发生少量石墨化,晶粒略有长大;纳米金刚石膜经800℃RTP处理后出现晶界处物质的减少,经1200℃RTP处理后颗粒间发生团聚,同时在薄膜表面生成大量非晶SiO_x(1<x<2)纳米丝;类金刚石碳膜在500℃以下具有较好的热稳定性;700-900℃RTP处理后表面生成了金刚石纳米颗粒,1100-1200℃RTP处理后表面生成了Sio_x(1<x<2)纳米丝和SiC过渡层。对上述现象的产生过程进行了细致分析,阐述了RTP作用下SiO_x(1<x<2)纳米丝、纳米金刚石颗粒、以及SiC过渡层的生成机理。 (4)利用光致发光(PL)谱研究了纳米金刚石膜中430nm蓝光和530nm绿光发光峰强度随金刚石平均颗粒尺寸的变化规律:即随金刚石膜中颗粒尺寸的减小,430nm蓝光峰强度逐渐增大而530nm绿光峰强度迅速降低。结合这一现象对目前学术界已有的三种对530nm绿光峰的发光来源的解释进行了验证,指出530nm发光峰并不是由薄膜中的非有意硼掺杂、载流子在无定形碳中的复合、以及金刚石膜的表面氢化所引起。金刚石膜的低温-室温阴极射线(CL)谱和单色CL成像显示低温530nm发光峰主要由四个位于483、501、513和532nm的尖锐发光峰构成,且在金刚石的{111}晶面强度最高。 (5)利用重掺和轻掺的n型和p型(即,n~+、n~-、和p~+)硅片,分别与具有不同颗粒尺寸的纳米金刚石薄膜形成diamond/Si异质结,首次实现了diamond/Si异质结的室温电致发光。研究发现:diamond/n~+-Si异质结在足够高的正向偏压下发生电子隧穿效应,并产生与金刚石膜中缺陷相关的可见发光,而在反向偏压下几乎不发光;diamond/n~--Si异质结在正向偏压下几乎不发光,而在足够高的反向偏压下产生630、740和757nm的尖锐发光峰和较宽的缺陷相关的可见发光;diamond/p~+-Si异质结在正向偏压足够高时产生较弱的与金刚石膜中缺陷相关的可见发光,在足够高的反向偏压下产生630、740和757nm的尖锐发光峰和较宽的缺陷相关的可见发光。通过对比分析,从这些异质结的电流—电压特性和它们的能带图出发,阐明了上述电致发光现象的物理机制及载流子输运特性。 (6)发现了基于CVD金刚石膜的MIS器件在高电压下激发N_2微等离子体发光的现象。研究表明:当对Au/SiO_x/diamond/n~+-Si和Au/diamond/n~+-Si两种MIS结构施加正向偏压时,对应的I-V特性曲线中出现负阻现象,进一步增大电压后丌始出现N_2微等离子体发光,同时伴随有N_2微等离子体发光的系列半频峰以及强度较弱的与金刚石膜中缺陷相关的可见发光。通过负阻模型对金刚石膜MIS器件中的电子输运特性进行了分析,并指出N_2微等离子体是由于MIS器件在高电压下发射出足够高能量的电子激发器件表面附近的空气所产生的。


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15 王波,宋雪梅,张生俊,张兴旺,严辉;CVD法沉积金刚石薄膜中成核与生长的势垒研究(英文)[J];人工晶体学报;2000年03期
16 傅慧芳,张湘辉,颜恩涛,刘顺生;低压气相金刚石中杂质氢的红外光谱研究[J];科学通报;1999年09期
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