掺杂纳米碳化硅薄膜的制备及光学特性研究

论文摘要

本工作利用螺旋波等离子体增强化学气相沉积技术,在单晶Si及Corning 7059玻璃衬底上通过控制衬底温度与氮气流量制备了不同氮掺杂比例的纳米晶态3C-SiC和6H-SiC薄膜。通过傅立叶变换红外吸收光谱、紫外-可见透射光谱、X射线衍射谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱、光致发光谱以及光致发光激发谱等多种技术手段,对薄膜的成分、键合结构、形貌、光学带隙、沉积速率、发光特性及发光机制等进行了表征和分析。分别研究了不同氮掺杂比例对纳米3C-SiC和6H-SiC薄膜微结构和光学特性的影响,并对氢气流量对纳米6H-SiC薄膜微结构和光学特性的影响规律进行了研究,得到如下主要结论。在较低温度下采用螺旋波等离子体增强化学气相沉积技术能够实现纳米3C-SiC薄膜的沉积,在较低的掺杂比例下,N掺杂的主要机制是替位C掺杂,随掺杂比例的逐渐增加,纳米粒子粒度减小,同时伴随Si-N键合结构的出现,薄膜表现为带隙展宽。薄膜光致发光分析结果显示,薄膜中N的引入使Si空位缺陷增加,N掺杂纳米SiC薄膜发光呈现为典型的纳米SiC的量子限制效应与硅空位缺陷的综合发光。在较高掺杂比例下,N杂质态密度的增加使薄膜带隙减小,薄膜表现出N掺杂与价带间自由载流子复合发光。更高的N掺杂量,纳米粒子粒度减小,Si-N成分增加使薄膜带隙展宽,使发光表现出界面态缺陷发光。在较高的温度下可实现晶化度较高的纳米6H-SiC薄膜的沉积,随N掺杂比例的增加,薄膜沉积速率加快,晶化度下降,N的掺入引起晶粒生长的终止作用,使纳米颗粒尺寸逐渐减小,薄膜的Eu能同时减小；纳米粒子尺寸减小与N杂质态密度增加使薄膜的光学带隙表现出先增加后减小的结果；同时,薄膜发光增强,半峰宽降低。在N掺杂比例固定的条件下,增加氢气流量使氢活性粒子的刻蚀效应增强,薄膜沉积速率和N含量下降,而薄膜的晶化度提高,纳米粒子尺寸增加。光学吸收特性反映出薄膜的光学带隙逐渐减小,有序度逐渐增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 碳化硅材料的结构及基本性质
• 1.3 碳化硅薄膜掺杂的研究进展及理论依据
• 1.4 本论文研究意义及所做工作
• 第2章 实验原理及技术
• 2.1 实验技术
• 2.1.1 螺旋波等离子体增强化学气相沉积（HWP-CVD）实验装置
• 2.1.2 衬底处理
• 2.2 薄膜形貌和结构分析技术
• 2.2.1 傅立叶变换红外吸收谱
• 2.2.2 X射线衍射
• 2.2.3 原子力显微镜
• 2.2.4 扫描电子显微镜
• 2.2.5 样品成份的X射线能谱分析
• 2.3 薄膜的光学特性表征技术
• 2.3.1 紫外-可见透射反射谱
• 2.3.2 光致发光谱
• 2.3.3 光致发光激发光谱
• 第3章 N掺杂纳米3C-SiC薄膜的微结构及发光特
• 3.1 纳米碳化硅薄膜制备及结构表征
• 3.2 N掺杂纳米3C-SiC薄膜的微结构表征
• 3.2.1 N掺杂对薄膜沉积速率的影响
• 3.2.2 N掺杂对薄膜表面形貌的影响
• 3.2.3 N掺杂薄膜元素组分及键合结构
• 3.3 N掺杂对纳米碳化硅薄膜光吸收特性的影响
• 3.4 N掺杂对纳米碳化硅薄膜发光特性的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 N掺杂纳米6H-SiC薄膜的微结构及光学特性
• 4.1 纳米6H-SiC薄膜制备及结构表征
• 4.2 N掺杂纳米6H-SiC薄膜的微结构特征
• 4.2.1 N掺杂样品红外特征
• 4.2.2 N掺杂样品元素组分
• 4.2.3 N掺杂样品沉积速率
• 4.2.4 N掺杂对薄膜表面形貌的影响
• 4.3 N掺杂比例对纳米6H-SiC薄膜的光学特性的影响
• 4.3.1 N掺杂对薄膜光学带隙的影响
• 4.3.2 N掺杂对薄膜发光特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 氢流量对N掺杂纳米6H-SiC薄膜微结构和光学特性的影响
• 5.1 不同氢气流量掺杂样品的微结构表征
• 5.1.1 氢流量对薄膜沉积速率的影响
• 5.1.2 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的红外特征
• 5.1.3 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的元素含量
• 5.1.4 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的SEM
• 5.1.5 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的AFM
• 5.1.6 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的XRD
• 5.2 不同氢流量掺杂纳米SiC薄膜的光学特性
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢