pecvd方法直接合成硅氧納米復(fù)合薄膜（nc-siox：h）

1、第 2 4 卷 第 6期 2 O O 4 年 1 1 、 1 2 月真 空 科 學(xué) 與 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) V A C U U MS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y ( C H I N A )P E C V D方法直接合成硅氧納米復(fù)合薄膜 H a — S i O： H )史 國(guó)華 韓 高榮 杜 丕一 趙 高凌 沈 鴿 張溪文 ( 浙江大學(xué)材料系 ， 硅材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 3 1 0 0 2 7 )

2、S i l i c o n - O x y g e nN a n o c r y s t a l l i n eC o mp o s i t eF i l ms ( n c - S i O： H) D i r e c t l yD e p o s i t e db yP l a s maE n h a n c e dC h e mi c a lVa p o rDe p o s i t i o nS h iG u o h u a ， H

3、a nG a o r o n g， D uP i y i ， Z h a oG a o l i n g ， S h e nG ea n dZ h a n gX i w e n( S t a t eL a b o r a t o r yo f S ／ ／ ／ c o r ／ , M a t e r ／ a ／ s ，o f M a t e n k ~S c ／ e n c ea n dE n g ／ n e e r ／ n g ， z ^

4、 慨 u , ~ ／ t y ，u ， 3 1 0 0 2 7 ， C h ／ n a )A b s t r a c tF o rt h ef i r s tt i m e ， s i l i c o n - o x y g e nmn ~r y s t a l l i n ec o m p o s i t ef i l m s ( n c - S i O： H ) w e r ed i r e c t l yd e p o s i t

5、 e db yp l a 鋤 e n h a n ( ~ c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( P E - C V D ) w i t hS I H 4 ． N 2 Oa n dH 2a st h eg a s e o u s $ O U l ~ e S ． r I 1 l em i c m s t mc t u r e sa n ds t o i c h i o m e t r y

6、o ft h ef i l m sW e T es t u d i e dw i t hF o u r i e r t r a l ~o r l l li n f r a r e ds ~ ( r ' r i R ) ， X - r a yd i f r a c t i o n ( X R D ) ， a n dh i # r e s o l u t i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y

7、( 卸刪 ) ． P h o -t o l u m i n e s c e n c e ( P L ) w ~ sc l e a r l yo b s e r v e da tac e n t e ra b o u t5 3 0m ( 2 ． 3 4 e V ) i nt h ea s - d e p o s i t e df i l m s ． r I k r e s u l t ss h o wt h a tn a n o - s

8、 c a l es i l i c o np a r t i c l e sa r ee mb e d d e di nt h eS i O ma t r i x． Wes u 船 e s tt h a te n h a n c e me n to f P Lwi t ht h ei n c r e a s eo f o x y g e no r i g i n a t ef r o m o x y g e ni n d u c e

9、dd e f e c ts t r u c t u r e sa tt h ei n t e r f a c e s ．Ke y wo r d sn cS i O： H f i l ms ； P h o t o l u mi n e s c e n c e； P EC vD摘要 首次報(bào)道了以 S i H 4 、 N 2 0和 混合氣體為原料 ， 用 P E C V D工藝直接合 成硅氧納米復(fù)合薄膜( n c — S i O： H )

10、， 未經(jīng)任 何后處理過(guò)程觀察到 了可見(jiàn) 光致 發(fā)光 現(xiàn)象 ， 發(fā)光 峰位 于 5 3 0a m( 2 ． 3 4 e V ) 左 右。通 過(guò)紅 外光 譜 ( F I I R) 、 X R D 、 高 分辨 電鏡 ( H R T E M) 等手段觀察分析了薄膜的組成和結(jié)構(gòu) ， 薄膜形成 了納米硅在氧化硅 網(wǎng)絡(luò)中的鑲嵌式結(jié)構(gòu)。發(fā)光強(qiáng)度隨薄膜 中氧含 量的增加而提高， 認(rèn)為薄膜的發(fā)光主要是由于跟氧有關(guān)的結(jié)構(gòu)缺陷引起的。關(guān)鍵詞 硅氧納米復(fù)合薄膜

11、 光致發(fā)光 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 中圖分類(lèi)號(hào)： 0 4 8 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A文章編號(hào) ： 1 6 7 2 - 7 1 2 6 ( 2 0 0 4 ) 0 6 - 0 4 2 7 - 0 3自 從 1 9 9 0 年 C a n h a m等報(bào)道了多孔硅的可見(jiàn)光 發(fā)射L 1 J 以來(lái) ， 關(guān)于硅材料發(fā)光 的研究很快成為一個(gè) 新的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)人們用多種方法( 如等離子 體氣相沉積 、 磁控濺射、 離子注入等) 制備納米晶硅 或納

12、米晶硅鑲嵌在某種基質(zhì)( 如 a - S i ： H 、 a - S i O： H 、 a _S i N： H ) 的薄膜L 2 “ J ， 研究 了其可見(jiàn)光發(fā)射現(xiàn)象。此 類(lèi)薄膜表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的可見(jiàn)光發(fā)射特性 ， 而且在 工藝上可以與硅基集成電路相兼容 ， 所 以在光電集 成方面有著誘人的前景。目 前最為常見(jiàn)的就是具有納米硅／ 氧化硅鑲嵌 結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜發(fā)光， 一般可以通過(guò)兩種手段獲得 ：一 是對(duì)已經(jīng)沉積好的納米硅薄膜( n c — S

13、i ： H ) 進(jìn)行退 火氧化， 引入氧原子； 二是對(duì)氧化硅( a - S i O： H ) 薄膜 收稿 日期 ： 2 0 0 3 一 l 2 - 2 5* 聯(lián)系人： 教授 ， T e l ： 0 5 7 1 —8 7 9 5 2 3 4 1進(jìn)行退火處理 ， 使薄膜晶化。這種薄膜中氧原子可 以跟 s i 原子或 H原子 以各種價(jià)鍵形式結(jié)合 ， 與 s i納米 晶粒 形成鑲嵌式結(jié)構(gòu) 。由于基 質(zhì) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 的無(wú) 序性 ， 氧原子跟 s i

14、 、 H原子的這種結(jié)合會(huì)產(chǎn)生諸多結(jié) 構(gòu)缺 陷 ， 比如 非橋 氧缺 陷 中心 ( N B O H C ) 、 S i ／ S i O z 界 面局域態(tài)等。這些缺陷會(huì)在 s或 S i O禁帶 中引入 相應(yīng) 的局域能級(jí) ， 跟材料 的發(fā)光 特性 密切相關(guān) ， 是 探討納米硅 發(fā)光 的一個(gè)重要 切入點(diǎn) 。本研究 中， 以 s i H 4 、 N 2 O和 H 2 混合氣體為原料 ，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積( P E C v D ) 工藝直接

15、合 成了硅氧納米復(fù)合薄膜( B e — S i O： H ) ， 未經(jīng)任何后處 理過(guò)程觀察到了可見(jiàn)光致發(fā)光現(xiàn)象 。在這之前未見(jiàn) 過(guò)類(lèi)似報(bào)道。維普資訊 http://www.cqvip.com 第 4 期 史國(guó)華等 ： P E C V D方法直接合成硅氧納米復(fù)合薄膜( n c ． S i O x ： H )4 2 9圖4 不同 r ~ o ／ mt , 比例的 s i： H薄膜的可見(jiàn) 光致發(fā)光光譜 F i g ． 4p h o t o

16、l u mi n o sc e n c es p e c t r ao fa - S i O ： H f i l msw i t hd i f e r e n tN 2 O ／ S i n 4r a t i o s關(guān)于納米硅的發(fā)光機(jī)理 ， 目 前主要有兩種模型：一 是量子限制效應(yīng)發(fā)光； 二是與氧有關(guān)的缺陷發(fā)光。按照量子效應(yīng)發(fā)光模型 ， 材料的發(fā)光是 由于納米尺 寸大小的微粒引起的， 而且發(fā)光強(qiáng)度和能量跟晶粒 大小密切相關(guān) ， 晶粒越小

17、 ， 發(fā)光強(qiáng)度越大 ， 能量也越 高。根據(jù)納米晶結(jié)構(gòu) 的電子理論計(jì)算[ 5 , 6 ] ， 與能隙 寬度 2 ． 2 5e V ～ 3 ． 0e V相對(duì)應(yīng) 的納米硅晶粒應(yīng)該小 于 2 ． 6n l n ， 而本實(shí)驗(yàn)中 n c — S i O： H薄膜 中硅微 晶粒 的尺寸為 8n l n 左右， 卻觀察到 了 2 ． 3 4e V能量的光 發(fā)射， 所以無(wú)法用此模型來(lái)解釋。在薄膜 的紅外光 譜中， 只有 S i ． 0 ． S i 和 s

18、 i ． H鍵合的吸收峰， 而沒(méi)有發(fā) 現(xiàn) 0 ． H鍵 的吸收峰 ， 所以薄膜的發(fā)光也不可能是有 關(guān)文獻(xiàn)提出的 O H基團(tuán)吸附所引起 J ， 從結(jié)構(gòu)上來(lái) 看， n c ． S i O： H薄膜是一種硅納米晶粒鑲嵌在非晶氧 化硅網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)合相結(jié)構(gòu) ， s i 晶粒被大量的非晶硅 和非晶氧化硅所包圍， n c ． S i 跟 S i O之問(wèn)的界面結(jié)構(gòu) 由于晶格結(jié)構(gòu) 的差異 ， 很容易產(chǎn) 生諸 如氧空位 、 非橋 氧空穴中心( N B O

19、H c ) 等缺陷。在本實(shí)驗(yàn)中， 很可能 這些缺陷結(jié)構(gòu)就是薄膜發(fā)光的來(lái)源。3 結(jié) 論 首次 以 s i H 4 、 N 2 O和 H 2 混合 氣體 為原 料， 用 P E C V D 方法直接合成得到了硅氧納米復(fù)合薄膜 n o ．S i O： H ) ， 未經(jīng)任何后處理過(guò)程就觀察到 了 5 3 0n n l( 2 ． 3 4 e V ) 的可見(jiàn)光致發(fā)光現(xiàn) 象 。X R D和 H R T E M 的 測(cè)試結(jié)果證實(shí) ， 薄膜中形成了硅納

20、米晶 ， 得到的是大 量非晶網(wǎng)絡(luò)包圍納米硅晶粒的鑲嵌式復(fù)合結(jié)構(gòu)。隨 著反應(yīng)氣體 N 2 O ／ S i l 4 體積 比的提高 ， 薄膜 F T I R譜 中 S i 一 0 ． S i 的吸收峰明顯變強(qiáng) ， 薄膜的發(fā)光強(qiáng)度也逐 漸增加。薄膜的發(fā)光是由跟氧有關(guān) 的結(jié)構(gòu)缺陷( 如 氧空位 、 非橋氧空穴中心等) 引起的。參 考 文 獻(xiàn) lCa n h a m LT． Ap p lP I I ) r sL e t t ， 1 9 9 0，

21、 5 7 ： 1 0 4 62 仙 A M， I n o k u maT， K u r a h aY d a ／ ． Ma t e rS c i ＆ En g e e r ， 2 0 0 1 ，C1 5 ： 1 2 53Y a n gCS ， I X nCJ ， K u e iPYda ／ ． A p r aS u r fS c i ， 1 9 9 7， 1 1 3 ／l 1 4： 1 1 64A u g u s t i n eB

22、H， I r e n eEH， HeYJd． JA p p lP } I y s ， 1 9 9 5 ， 7 8 ：l 55D dl e yB， S t e i g me i e rE F． P h y sRe v ， 1 9 9 3， B 4 7： 2 4 76D e l e r u eC， I a n n o oM， A l l a nG． JL u mi n ， l 鈣I 3 ， 5 7 ：釘 7R u c k s c h l

23、o s sM， I A l n d k a l n l l l ~ rB ， V e p m kS ． A p f lP h y sL e n ，l 鈣I 3 ， 6 3： 1 4 7 4( 上接第4 2 6 頁(yè))向的波矢 ， 得出電磁波沿等離子體柱的傳播類(lèi)似于 電磁波沿金屬介質(zhì)交界面上 的傳播 ， 傳播速度接近 于光速的結(jié)論 ， 因此可以使用等離子體代替金屬用 來(lái)構(gòu)成最基本的天線振子。參 考 文 獻(xiàn) 1l < a I l gW

24、 L，R l l d e rM， A l e x e fI ． A mi c r o wa v ep l a s mac l o si n gs w i t c ha n ds t e a l t h p l a s maa n t e n n a． ． 1 ． E ． ． ． ． E ． ． — E —I n t e r n a t i o n a lC o n f e r -I ~ I I C Oo nP l a s maS c

25、 i e n c e， I S B N 7 踟B 一 2 6 6 9 - 5， ll 5 ： 1 412No r r i sEG． Ga sT u b eR F An ~n n a． USP r oe m n u mb e r5 5 9 4 4 6 5．1 9 9 7— — 01 — ． 1 43A n d e l t ~ o nTR． Mu l t i p l eT u b eP l a s m aA n t e n n a ．

26、U SP a t e n tn u n l -h e r5 9 6 3 l 6 9 ． 1 9 9 9 —1 0 —0 54No r r i sEG． R e c o n f i g u r a b l eP l a s maAn te n n a． USP a t e n tn u mb e r6 3 6 9 7 6 3 ． 2 0 0 2—0 4— 0 95B o r gGG， Ha r r i sJH， l ~ f l t t i

27、 nNM d． P l a s m aa sa l 吐 e l 1 m s ：T h e o r y ， e x p e r i me n ta n da p p l i c a t i o n s ． P h y s i c so f P l a s ma s ， 2 O 0 0 ，7： 21 9 8～2 2 0 26G o l d s ~ nRJ ， R u t h e r f o r dPH． P l a s m aP h y

28、 s i c s ． I n s t i t u t eo f P h y s i c sl b 】 i s l l i I l g， 1 9 9 57M o i s a nM， S h i v a r o v aA， r i f t v d p i e c eAW． ~ n t a li n v e s t i —g a t i o n ~o f t hep l o l l a g a 五 o no fs u I fc eW a V

29、o s a l o n gap l a s mac o l —u 腳 ． P l a s m ap h y s i c s ， 1 9 8 2 ， 2 4 ( 1 1 ) ： 1 3 3 1 ～1 4 0 08B o r g G G， H a i T i 8JH． A p p ~ e a t i o no f p l a s m ac o l u mn st or a d i o f r e -q u e n c ya n t e n