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EFMS技术Te薄膜的制备及其场内粒子分布的COMSOL模拟

张世慧  
【摘要】:Te薄膜是一种VI族窄带隙元素半导体材料,晶格缺陷作为受主使其表现出P型导电性。Te位于Se和Po之间,具有半金属性,使其表现出多价性,因此具有不同的晶体结构。由于具有高导电性,良好的机械性能,使得Te薄膜具有一系列优异的性能,如热电效应、压电效应、非线性光响应、催化活性以及光电效应等,可广泛应用于各种领域,特别是微电子、光电子设备领域,如气体传感器、红外探测器和光存储等。Te薄膜有多种制备方法,例如:分子束外延法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、化学合成法和热蒸发法等,目前尚未见到利用磁控溅射技术制备Te薄膜的报道,磁控溅射技术具有以下优点:可控性和重复性好,与衬底附着性好,成膜面积大,可用于大规模生产,被广泛应用到生长各种薄膜。但是传统的磁控溅射技术也有一些缺点,溅射过程中,等离子体中的高能二次电子会对不耐轰击的衬底或者是对衬底上已经沉积的不耐轰击膜层产生溅射损伤,导致薄膜层出现各种缺陷,对薄膜性能产生不利影响。此外,由于磁控溅射靶材刻蚀不均匀也会造成薄膜的生长不均匀进而影响薄膜性能。针对这些问题,本课题组对传统的磁控溅射技术进行了改进,改进后的技术称为“能量过滤磁控溅射”(Energy Filtering Magnetron Sputtering,EFMS)技术。本文利用EFMS技术制备了系列Te薄膜,研究了温度和压强对薄膜结晶、光学、电学影响并对Te/Si异质结光电探测器性能进行了研究。此外我们还利用COMSOL Multiphysics软件模拟了EFMS技术过滤电极对沉积粒子的能量和运动方向的影响。具体研究内容包括:(1)利用EFMS技术在石英衬底上制备Te薄膜,采用控制变量法研究了沉积温度和沉积压强等工艺条件对Te薄膜的结构、表面形貌、电学性能以及光学性能的影响。分别用XRD、Raman、SEM、霍尔测试仪、椭圆偏振光谱仪和UV/VIS/NIR分光光度计进行表征。结果表明,制备工艺对Te薄膜的结晶,光学性能以及电学性能都有影响。(a)在100℃时薄膜结晶较好,表面颗粒颗粒相对较大且比较均匀,并且此时载流子浓度较高。在200℃时,薄膜表面由颗粒状变为交错分布的棒状结构,此时Te薄膜的消光系数最小,透过率较高,折射率最低。(b)压强系列中在0.75 Pa时薄膜结晶较好,从SEM图中可知,此时薄膜颗粒大小不均匀且有团簇现象,在1.0 Pa时薄膜颗粒大小相对均匀。0.75 Pa时薄膜透过率相对较高,在1.5 Pa时薄膜的折射率最低。(2)利用EFMS技术在Si衬底上制备了Te薄膜,同样采用控制变量法研究了沉积温度和沉积压强等制备工艺对Te薄膜的结构、表面形貌、光电性能的影响。分别用XRD、SEM、Raman进行表征。结果表明,衬底影响薄膜的结晶取向且温度和压强对薄膜结晶质量有较大的影响,100℃所制备的薄膜质量较好,温度不变时压强为1.0 Pa时薄膜质量较好。通过EFMS技术合成高质量的Te薄膜,采用原位工艺法制备出Te/Si异质结器件,研究了所制备器件的光电特性,结果显示Te/Si异质结光电探测器对405 nm-1300 nm的波长范围的光具有较高的灵敏度。(3)在本课题组研究成果的基础上利用COMSOL Multiphysics软件对沉积腔室电磁场分布进行模拟仿真,模拟了沉积腔室内沉积粒子的能量和以及各种粒子在沉积腔室内的分布情况,我们知道电子主要分布在衬底附近,离子主要集中在靶材附近,此外我们还模拟了电压对等离子体的直流放电粒子能量和粒子分布的影响,电压越高,电子所获得的能量越大,较高的电压下激发的氩质量分数较大,但在较低的电压下,氩离子数密度较高。


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