硅系納米復(fù)合薄膜的制備及其微結(jié)構(gòu)、光電性能研究.pdf

1、本論文旨在通過(guò)對(duì)硅系納米復(fù)合薄膜的制備方法、結(jié)構(gòu)特征及光電性能的研究，探討微結(jié)構(gòu)對(duì)材料物性的影響規(guī)律，以期達(dá)到通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)控制材料微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制材料物性的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)、物性的設(shè)計(jì)和加工。 論文全面回顧了納米硅薄膜及硅系納米復(fù)合薄膜的制備方法、生長(zhǎng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)特征和光電性能等研究與發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)評(píng)述了其面臨的主要問(wèn)題、解決思路、以及應(yīng)用和發(fā)展前景。 采用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制備了納米硅(nc

2、-Si：H)、納米硅碳(nc-SiCx：H)、納米硅氧(nc-SiOx：H)及硼、磷摻雜的納米硅薄膜，并應(yīng)用AFM、XRD、TEM、IR、UV、XPS、PL等分析測(cè)試方法，系統(tǒng)研究了不同制備條件下薄膜的結(jié)構(gòu)特征和光電性能。測(cè)定并建立了薄膜的微結(jié)構(gòu)與光電性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，取得了一系列重要結(jié)論和創(chuàng)新性研究成果，為硅系納米復(fù)合薄膜的制備和物性規(guī)律總結(jié)，及其進(jìn)一步的應(yīng)用研究打下了基礎(chǔ)。 成功獲得了結(jié)構(gòu)、性能良好的納米硅薄膜，研究確定了其微

3、觀結(jié)構(gòu)。所得納米硅薄膜的結(jié)構(gòu)是大量非晶網(wǎng)絡(luò)包圍納米硅晶而形成的鑲嵌式兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)晶取向以Si(111)面為主，晶粒大小6～10nm左右，在薄膜網(wǎng)絡(luò)中呈無(wú)序分布，晶態(tài)率最高可達(dá)60～70％。 提出硅薄膜沉積的生長(zhǎng)中心模型，從熱力學(xué)反應(yīng)基元的角度定性描述了納米硅薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程。由于等離子體高頻電場(chǎng)和基板溫度提供的能量，硅氫等基團(tuán)在基板表面形成若干生長(zhǎng)中心，發(fā)生聚集、成核及生長(zhǎng)然后成膜。研究了硅烷濃度、射頻功率、襯底溫度等工藝

4、參數(shù)對(duì)薄膜形成過(guò)程中生長(zhǎng)中心密度、晶化和生長(zhǎng)過(guò)程的影響機(jī)制，獲得了優(yōu)化的等離子體化學(xué)氣相沉積法制備納米硅薄膜的工藝條件。生長(zhǎng)中心過(guò)密或過(guò)疏都無(wú)法得到理想的納米硅薄膜，硅烷濃度的升高、射頻功率的增加都會(huì)提高生長(zhǎng)中心密度，襯底溫度則主要為原子在基板表面的遷移生長(zhǎng)提供能量，襯底溫度的升高有利于薄膜晶化和生長(zhǎng)。 用分子動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)硅薄膜的沉積過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)薄膜沉積過(guò)程中沉積原子占有了系統(tǒng)中大多數(shù)的動(dòng)能，降低了襯底原子的擴(kuò)散

5、能力，沉積Si原子能夠起到阻擋作用，同時(shí)沉積的原子會(huì)有一部分注入到襯底表層并與原來(lái)的襯底原子相互作用，導(dǎo)致結(jié)果是Si-O網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，O-Si-O鍵角減?。话l(fā)現(xiàn)Si原子的沉積還可以降低襯底表層的動(dòng)力學(xué)溫度。 研究證實(shí)，納米硅薄膜中存在晶態(tài)傳導(dǎo)和非晶態(tài)傳導(dǎo)兩種傳導(dǎo)機(jī)制，納米硅晶網(wǎng)絡(luò)中的電子在一定條件下可以通過(guò)熱輔助隧穿的方式越過(guò)晶間勢(shì)壘，構(gòu)成電導(dǎo)通路。晶態(tài)率的上升，硅晶粒的納米尺寸效應(yīng)是納米硅薄膜高電導(dǎo)率和寬光學(xué)能隙的來(lái)源，電導(dǎo)率

6、變化幅度可達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 以硼烷和磷烷為摻雜源，采用與硅烷一起反應(yīng)的方法對(duì)納米硅薄膜實(shí)施原位摻雜，沉積得到了B、P摻雜的nc-Si：H薄膜，成功實(shí)現(xiàn)了納米硅薄膜的可控?fù)诫s，摻雜效率高，為納米硅薄膜的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，一定量磷原子的摻入對(duì)薄膜的晶化生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，而硼原子的摻入對(duì)薄膜晶化有明顯抑制作用。硼、磷摻雜可以有效改善納米硅薄膜的光電性能，大幅提高薄膜的電導(dǎo)率。硼摻雜時(shí)薄膜電導(dǎo)率可由未摻雜時(shí)的5.6×

7、10-4'Ω-1cm-1升至摻雜濃度0.5％時(shí)的4.0×10-1'Ω-1cm-1。而對(duì)納米硅薄膜實(shí)施磷摻雜后，薄膜電導(dǎo)率上升更為明顯，最高數(shù)量級(jí)可達(dá)1'Ω-1cm-1，相比未摻雜的納米硅薄膜提高幅度達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由于磷原子更容易以替位形式進(jìn)入硅晶體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，磷的摻雜效率要高于硼。 以乙烯氣體為碳源與硅烷一起反應(yīng)，成功合成了硅碳納米復(fù)合薄膜。與納米硅薄膜相比，硅碳納米復(fù)合薄膜的微結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生變化，仍然是納米晶粒鑲嵌在非晶

8、基質(zhì)中的復(fù)合結(jié)構(gòu)。薄膜中的納米晶粒是硅晶體，主要是Si(111)晶面取向，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SiC晶體的存在。碳原子的引入不利于薄膜晶化，碳原子進(jìn)入薄膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，薄膜晶化程度明顯降低。碳原子的引入導(dǎo)致薄膜電導(dǎo)率逐步降低，光學(xué)能隙展寬，最高可達(dá)2.15eV。 首次提出，以笑氣、硅烷和氫氣為原料，用PECVD法直接合成硅氧納米復(fù)合薄膜，不經(jīng)任何后處理，即可觀察到可見(jiàn)光致發(fā)光效應(yīng)，并研究確定了影響硅氧納米復(fù)合薄膜發(fā)光性能的關(guān)鍵參數(shù)及調(diào)控機(jī)制

9、。得到的nc-SiOx：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)，硅晶粒結(jié)晶取向以Si(111)為主，晶粒尺寸大小在8nm左右。未經(jīng)任何后處理，可以觀察到nc-SiOx：H薄膜的可見(jiàn)光致發(fā)光效應(yīng)，發(fā)光峰位在530nm(2.34eV)左右，隨著笑氣比例升高，薄膜中氧含量增加，發(fā)光強(qiáng)度也隨之提高，峰位略有藍(lán)移。襯底溫度升高在低溫階段可以明顯改善薄膜的晶化程度并提高薄膜中的氧含量，因而發(fā)光性能得到提高。在高溫階段繼續(xù)提升沉積溫