氫化非晶碳化硅薄膜中硅量子點的生長機制及其發(fā)光特性研究.pdf

1、硅量子點具有獨特的量子限域效應(yīng)和激子倍增效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，玻爾半徑尺度的硅量子點材料，能夠克服單晶硅體材料輻射躍遷必須遵守的動量守恒條件，實現(xiàn)從間接半導(dǎo)體材料向準直接半導(dǎo)體材料的轉(zhuǎn)變，進而顯著提高光生載流子的產(chǎn)生效率和光電轉(zhuǎn)換效率。硅量子點材料在硅基光電子器件研究中獲得廣泛關(guān)注。然而，制備硅量子點材料的工藝及其參數(shù)還不是很成熟，還很難控制硅量子點的尺寸和分布空間分布。主要是硅晶核的形成、硅量子點的生長機制還不甚清楚。硅量子點的發(fā)光特性及發(fā)

2、光機理還需要深入研究。硅量子點在光電子器件中的應(yīng)用目前仍處于初級階段。本文采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，以高氫稀釋的硅烷和純甲烷作為反應(yīng)氣體，經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化，在低溫襯底上制備了氫化非晶碳化硅（α-SiC:H）薄膜。然后經(jīng)過高溫退火處理，使樣品中生長了硅量子點。本文重點研究了硅量子點的生長機制和發(fā)光機理。主要研究結(jié)果如下：
　　硅量子點的生長與α-SiC:H薄膜中化學(xué)組成及鍵合結(jié)構(gòu)的演化有關(guān)。高溫退火促使Si原子從Si-H鍵及

3、Si1-xCx自由基中析出，硅原子相互結(jié)合形成硅核。硅核進一步吸收從母體薄膜中析出的硅原子，生長成為非晶硅團族。分別采用XPS能譜儀和FTIR紅外光譜儀分析了α-SiC：H薄膜樣品的化學(xué)組成及鍵合結(jié)構(gòu)。FTIR研究發(fā)現(xiàn)，未退火處理樣品中富含Si-Si，SiHn（n=1，2，3），C-SiH，Si-C，Si-CH3等自由基。當退火溫度增加，SiHn，C-SiH，Si-CH3等自由基中的Si-H鍵斷裂，氫原子釋放，Si-Si鍵增強。當退火溫

4、度繼續(xù)增加，非化學(xué)配比碳化硅(SiC)自由基分解為硅(Si)自由基和化學(xué)配比碳化硅(SiC)自由基。在XPS寬掃描譜中，檢測到了Si1s、Si2p和C1s峰。對于1050℃退火處理樣品，XPS窄掃描發(fā)現(xiàn)硅碳組成比為(Si-C)/(C-Si)=3.41，呈富硅性質(zhì)。
　　退火溫度的升高使非晶硅團簇發(fā)生從非晶相向晶相的轉(zhuǎn)變，硅量子點尺寸增大，硅結(jié)晶度提高。碳原子主要以C-Si和C-H鍵形式存在。Raman散射分析發(fā)現(xiàn)，未退火處理SiC

5、薄膜樣品在480.9 cm-1呈現(xiàn)一寬峰，表明未退火處理薄膜樣品為非晶結(jié)構(gòu)，含有少量非晶硅納米團簇。隨著退火溫度升高到900℃，Raman譜在515.2cm-1呈現(xiàn)一銳峰，X射線衍射在2θ=28.40，36.90,47.40,54.90,和56.3呈現(xiàn)五個銳峰。表明樣品中出現(xiàn)了晶化硅量子點和少量碳化硅納米顆粒。隨著退火溫度進一步升高，Raman銳峰和X射線衍射在28.40,47.40,56.30的三個銳峰得到增強。樣品中硅結(jié)晶度從非晶相

6、逐漸增加到900℃的58.3％，1050℃的61.3％，和1200℃的85.8％。（111）晶向的硅(Si)量子點平均尺寸從3.1nm增加至3.6nm,（220）晶向的硅(Si)量子點從3.4nm增加至4.0nm。
　　非晶硅和晶體硅量子點共存于非晶SiC薄膜中。高分辨TEM研究發(fā)現(xiàn)，高密度近球形硅量子點鑲嵌在非晶薄膜中，硅量子點晶格間距大約為3.17?。SAED衍射圖片由半徑分別為3.12,2.11和1.64 nm的三個衍射環(huán)及

7、一些彌散光暈組成。衍射環(huán)對應(yīng)晶體硅量子點。環(huán)的均勻性顯示晶體硅量子點數(shù)密度非常高，尺寸非常小，晶向隨機分布。彌散光暈對應(yīng)非晶硅量子點。顯示在未退火處理和經(jīng)過退火處理的樣品中，存在著大量非晶硅量子點。經(jīng)過退火處理，非晶硅量子點與晶體硅量子點共存。
　　硅量子點光致發(fā)光機理主要是量子局域效應(yīng)發(fā)光，缺陷效應(yīng)對發(fā)光也有貢獻。采用熒光光譜技術(shù)和紫外可見反射光譜技術(shù)對光致發(fā)光進行了表征。紫外可見反射光譜表明，750℃退火處理樣品沒有出現(xiàn)反射峰

8、。900℃樣品在270nm處出現(xiàn)一個反射峰。1050℃樣品出現(xiàn)了兩個反射峰，一個位于270nm，另一個位于366nm處。反射峰表明樣品中出現(xiàn)了晶體硅量子點。分析發(fā)現(xiàn)，每一個光致發(fā)光譜均由6個子光譜帶組成。其中，有4個子光譜帶的波長分別被釘扎在425.0±0.3，437.3±0.5，465.0±0.8，和591.0±0.9nm。另外2個子光譜帶的峰位波長，開始時，一個從494.6±0.8nm紅移到512.4±0.5nm,另一個從570.2