氫化非晶氮化硅薄膜光學(xué)性質(zhì)調(diào)控及應(yīng)用.pdf

1、硅材料是當(dāng)今微電子產(chǎn)業(yè)支柱，實(shí)現(xiàn)光電子和微電子系統(tǒng)的集成，是當(dāng)前國(guó)際上富有活力的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域：硅光電子學(xué)。但是單晶硅(c-Si)間接帶隙的屬性阻礙了其在有效發(fā)光器件上的應(yīng)用，因此探索有效硅基可見(jiàn)發(fā)光材料的應(yīng)用研究對(duì)最終實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成具有重要的意義。研究發(fā)現(xiàn)，硅的合金化或者低維的納米硅體系，如多孔硅，納米晶硅，超晶格硅等均具有良好的發(fā)光性能。之前被廣泛研究的是含有硅納米結(jié)構(gòu)的氧化硅體系，但是理論和實(shí)驗(yàn)研究表明該體系具有非常高的勢(shì)

2、壘(～8.5 eV)，嚴(yán)重阻礙了載流子的注入，降低了發(fā)光效率。因此，為滿足目前光電子器件的需求探尋一種合適的基體材料是非常有意義的。近年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)含有納米硅量子點(diǎn)(SiQDs)的氫化非晶氮化硅(α-SiNx：H)薄膜具有較低的勢(shì)壘(～2.0 eV)和較強(qiáng)的室溫可見(jiàn)發(fā)光，是硅基發(fā)光器件的良好候選材料。
　　 α-SiNx：H薄膜由于具有良好的光電性能、可調(diào)的折射率(～1.8-2.5)和較大的帶隙(～2-5eV)，不僅被廣泛應(yīng)

3、用于制備發(fā)光二極管等發(fā)光器件方面，而且越來(lái)越多的被應(yīng)用于新型硅基(單晶硅和多晶硅)和薄膜太陽(yáng)電池的減反和鈍化材料。然而，目前為止，盡管已有多種機(jī)制或模型被提出，α-SiNx：H薄膜的室溫可見(jiàn)發(fā)光機(jī)制一直存在爭(zhēng)議；同時(shí)，α-SiNx：H薄膜作為新型太陽(yáng)電池的鈍化材料，其鈍化機(jī)理尚未研究清楚。因此，研究α-SiNx：H薄膜的光學(xué)性質(zhì)對(duì)于提高其發(fā)光效率和太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，推動(dòng)硅光電子學(xué)的發(fā)展具有重要意義。
　　 對(duì)于生長(zhǎng)在單晶硅

4、襯底上的α-SiNx：H薄膜而言，其光學(xué)常數(shù)(折射率、帶尾、光學(xué)帶隙及吸收系數(shù))一般不能夠用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量得到，必須借助于其他方法進(jìn)行分析提取。首先，我們采用基于α-SiNx：H薄膜光學(xué)反射譜的Taue-LorentZ Urbach(TLU)模型提取出用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在不同沉積溫度(Td)下制備的α-SiNx：H薄膜室溫時(shí)(300 K)的光學(xué)帶隙、帶尾、折射率和吸收系數(shù)。接著，我們分析討論了擬合結(jié)果和沉積溫度之間的關(guān)系，并

5、基于Wemple-DiDomenico模型分析了α-SiNx：H薄膜帶隙以下折射率的色散行為。
　　 其次，我們主要研究了α-SilNx：H薄膜隨沉積溫度變化的室溫光致發(fā)光(PL)性質(zhì)。運(yùn)用Raman，高分辨透射電鏡(HRTEM)證實(shí)了α-SiNx：H薄膜中硅量子點(diǎn)的存在，通過(guò)紅外吸收(IR)實(shí)驗(yàn)分析了SiQDs尺寸及結(jié)構(gòu)隨沉積溫度變化的情況。接著我們通過(guò)研究Si QDs尺寸及密度的變化與紅光峰位及強(qiáng)度的關(guān)系，得出了紅光起源于非

6、晶硅量子點(diǎn)的量子限制效應(yīng)(QCE)的結(jié)論?；跍囟纫蕾囆訮L光譜，靜態(tài)無(wú)序模型，我們把綠光光譜歸因于帶尾中局域態(tài)載流子的輻射復(fù)合。而后，我們根據(jù)氮化硅的隙態(tài)理論模型計(jì)算結(jié)果把藍(lán)光光譜指認(rèn)為載流子在≡Si-Si≡與≡SiO缺陷能級(jí)之間的輻射躍遷。
　　 具有量子限制效應(yīng)的硅量子點(diǎn)可以為硅基光電器件的應(yīng)用提供新的突破，這主要是因?yàn)镼CE可以提高電子-空穴對(duì)的輻射復(fù)合速率。為了深入研究起源于Si QDs的紅光在不同條件退火處理后發(fā)光性

7、能的調(diào)控，我們將含有Si QDs的α-SiNx：H薄膜在Ar和O2中分別進(jìn)行退火處理，而后采用波長(zhǎng)為514 nm的At+作為PL光譜的激發(fā)光源。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，退火處理可以改變Si QDs尺寸、密度和表面化學(xué)，而且它們是決定Si QDs發(fā)光性能的重要因素。當(dāng)Si QDs在惰性氣體Ar中退火時(shí)，HRTEM，Raman，F(xiàn)TIR和X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果一致表明：當(dāng)退火溫度TA≤800℃時(shí)，Si QDs具有較小的尺寸(～3.6-4

8、.9 nm)，可見(jiàn)PL起源于Si QDs的量子限制效應(yīng)；但進(jìn)一步升高退火溫度至TA>800℃，Si QDs在高溫下發(fā)生了聚集和長(zhǎng)大，其尺寸顯著增加(～9.8 nm)，較大尺寸的Si QDs可以產(chǎn)生較多的界面態(tài)，使得與界面態(tài)相關(guān)的載流子輻射復(fù)合為室溫PL的主要機(jī)制。
　　 當(dāng)Si QDs在02中進(jìn)行退火處理時(shí)，根據(jù)FTIR及XPS實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算知，高溫退火時(shí)α-SiNx：H薄膜的氧化程度加強(qiáng)。而且由于氧的電活性較強(qiáng)易產(chǎn)生Si=O鍵

9、，Si=O鍵又將在Si QDs隙態(tài)內(nèi)引入較多的局域表面態(tài)。并且，光致激發(fā)光譜與PL光譜之間存在的較大斯托克斯漂移表明，激子的輻射躍遷主要發(fā)生在帶隙內(nèi)。根據(jù)第一性原理對(duì)Si QDs的計(jì)算結(jié)果知，由時(shí)間分辨光譜得到的納秒量級(jí)的衰減時(shí)間可以歸因于Si QDs表面的局域態(tài)中的激子的輻射躍遷。綜合溫度依賴性PL光譜、時(shí)間分辨光譜和光致激發(fā)光譜的結(jié)果分析得出，被氧化處理后的Si QDs的室溫PL機(jī)制可被歸因于與Si-N和Si-O-Si鍵相關(guān)的經(jīng)由S

10、i QDs表面局域態(tài)激子的輻射復(fù)合。由此可見(jiàn)，Si QDs在不同的氣氛中退火處理后，其發(fā)光機(jī)制由QCE至界面態(tài)/表面態(tài)的調(diào)控可以通過(guò)改變輻射態(tài)缺陷密度而被成功實(shí)現(xiàn)，反之亦然。
　　 最后，我們主要運(yùn)用IR光譜、彈性反沖探測(cè)分析和少子壽命測(cè)量實(shí)驗(yàn)針對(duì)目前新型太陽(yáng)電池使用較為廣泛的α-SiNx：H鈍化膜的鈍化機(jī)理作了詳細(xì)的研究。結(jié)果表明，對(duì)原沉積的α-SiNx：H薄膜而言，當(dāng)沉積溫度為200℃時(shí)，α-SiNx：H薄膜中的H含量和Si

11、-H鍵密度均較高，可以有效鈍化體缺陷或雜質(zhì)減少?gòu)?fù)合中心，提高少子有效壽命。α-SiNx：H薄膜在Ar保護(hù)下進(jìn)行退火處理后，當(dāng)TA=650℃時(shí)，部分?jǐn)嗔训腟i懸掛鍵可以最大程度的由Si-N鍵彌補(bǔ)，達(dá)到最好的鈍化效果。以上這些研究結(jié)果不僅對(duì)設(shè)計(jì)和研制Si基光電器件有一定的借鑒作用，而且對(duì)降低太陽(yáng)電池成本和提高效率也有一定的指導(dǎo)意義。
　　 以上的研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(10734020和10674094)，國(guó)家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(