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β-FeSi_2半导体薄膜的制备及性能的研究

许士才  
【摘要】:β-FeSi_2是一种新型的半导体材料,它在发光、光电、热电等方面都具有优异的性能,可用于制作薄膜发光器件、薄膜太阳能电池、热电器件、磁性半导体器件等。β-FeSi_2有很高的光电转化效率,理论上,β-FeSi_2的光电转换效率可以达到16%-23%,其转化效率仅次于晶体硅。另外,β-FeSi_2具有0.85 eV的直接带隙,其发光波长为1.5μm,发光对应的特征区域正是硅的全透明区,也是光纤通信中的最重要波段。β-FeSi_2这一特点对于新型光电器件和光纤的结合具有重要的意义,继而进一步激发了人们对它的研究兴趣。β-FeSi_2也是一种环境半导体材料,它的组成元素资源丰富、无毒、对生态无破坏。论文首先介绍了β-FeSi_2的结构性能、应用前景、制备β-FeSi_2薄膜常用的方法以及国内外研究现状等,进而围绕脉冲激光沉积工艺制备β-FeSi_2薄膜展开了一系列的研究工作。 (1)用脉冲激光溅射高纯度的Fe靶,使溅射出来的粒子与高温的Si衬底进行反应,制备出了高质量的β-FeSi_2薄膜,这是采用脉冲激光沉积技术制备β-FeSi_2薄膜的一种新的尝试。与传统的利用脉冲激光直接溅射FeSi_2陶瓷靶制备的薄膜相比,采用溅射Fe靶的方法得到的薄膜结晶质量更好,表面更加平整、结构更加均匀一致。更重要的是,薄膜表面没有发现微米级的颗粒,而这些颗粒在脉冲激光溅射FeSi_2陶瓷靶所制备的薄膜中是很难避免的。 (2)研究了采用脉冲激光沉积工艺制备的β-FeSi_2薄膜在不同的生长温度下的生长规律。实验证明薄膜的最佳生长温度在700℃左右。XRD测试结果表明,薄膜结晶质量、择优取向与薄膜的生长温度之间有密切的关系。SEM结果显示,生长温度为700℃-800℃时,薄膜表面比较平整致密。EDX谱表明在生长温度为500℃时,沉积的Fe不能完全地参加反应。在生长温度为700℃时,薄膜具有较好的结晶质量和较好的表面形貌。 (3)研究了不同的激光能量密度对β-FeSi_2薄膜性质的影响,并对这种影响的内在原因进行了分析。XRD的测试表明在激光能量密度为7 J/cm2时薄膜具有最强的衍射强度和最小的FWHM值,表明在这个条件下薄膜的结晶质量最好。另外,我们发现薄膜的厚度随激光能量密度的增大而增大。AFM图中,我们发现薄膜在激光能量密度为7 J/cm2时具有比较好的表面形貌和较小的粗糙度。这些测试结果表明在激光能量密度为7 J/cm~2时,薄膜的结晶质量和表面形貌都为最优。 (4)采用脉冲激光沉积技术在Si (100)和Si (111)衬底上制备了均匀连续的β-FeSi_2薄膜,研究了β-FeSi_2薄膜的生长特点和Si衬底取向之间关系。XRD的测试表明β-FeSi_2薄膜在Si (001)和Si (111)衬底上都有高度的(202)/(220)取向,β-FeSi_2薄膜的取向和衬底的取向无关。SEM和AFM的测试结果表明β-FeSi_2薄膜在Si (001)和Si (111)衬底上有很大的形貌差异,生长在Si (001)上的薄膜表面光滑,生长在Si (111)衬底上的薄膜表面要粗糙一些;生长在Si (111)衬底上薄膜的厚度约是生长在Si(001)衬底上薄膜厚度的2倍。 (5)采用X射线衍射仪(XRD,X-Ray Diffraction)、扫描电子显微镜(SEM, Scanning Electron Microscope)、原子力显微(AFM,Atomic Force Microscope)、X射线能谱仪(EDX,Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy)、傅红外光谱仪(FTIR,Fourier-Transform Infrared Spectrophotometer)等仪器研究了薄膜的晶体结构、组分、表面形貌。


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