硅基硅碳氧薄膜发光材料的制备与特性研究

论文摘要

随着芯片尺寸和线宽的缩小,电子漂移速度越来越成为芯片提速的瓶颈,用速度最快的光信号代替原来的电信号进行信息的传输和处理是突破这一瓶颈的有效途径。硅基发光材料由于其制造与超大规模集成电路硅平面工艺的兼容性成为发光器件的最佳选择,而其获得应用的关键是提高发光效率。单晶硅是间接带隙材料,其带间辐射复合效率非常低,难以达到发光器件的要求。与之相比,纳米结构薄膜在光学、光电性能及成本等方面有更大优势,在发光器件、光探测器件、光电集成以及传感器等领域有更广阔的应用前景。在综合分析比较了各类硅基发光材料的制备方法、性能特征的基础上,本文采用磁控溅射法在N型Si衬底上制备了硅碳氧薄膜和Al掺杂硅碳氧薄膜,并对薄膜样品进行了快速退火处理（RTP）。用原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、红外傅立叶光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）、荧光光谱仪（PL）等对样品的表面结构、化学成分、键合状态、晶体结构、光致发光等特性进行了分析表征。实验发现SiC靶的溅射功率和工作气压对硅碳氧薄膜的沉积速率和表面形貌有较大影响,最佳工艺窗口为溅射功率:150W,工作气压:1.2Pa。随SiC靶溅射功率增加,沉积速率增大,但并不呈线性关系,同时随SiC靶溅射功率增大薄膜表面颗粒尺寸先增大后减小。随工作气压升高薄膜的沉积速率先增大后减小,当工作气压为1.2Pa时,沉积速率最大,且工作气压为1.0Pa～1.2Pa时,制备的薄膜表面平整性较好。测试分析表明硅碳氧复合薄膜成分复杂,包含有:晶态和非晶态SiO2成分,微小SiC晶粒,α-Si1-xCx,μc-Si,少量O掺入的α-Si与微量C团簇成分。600℃退火后薄膜荧光特性最强,发射出370nm和470nm两个发光峰。其发光机理可概括为:电子首先吸收不同能量的光子跃迁到SiO2氧空位缺陷能级、非晶态SiO2氧空位缺陷能级或6H-SiC纳米晶粒能级;部分激发态电子通过与多声子作用驰豫到Si中性氧空位缺陷（O3≡Si-Si≡O3）与空穴复合发出相应的370nm荧光峰,部分激发态电子通过与多声子作用驰豫到6H-SiC晶粒表面缺陷态复合中心和空穴复合发出相应的470nm荧光峰。Al掺杂硅碳氧薄膜的组成并未发生明显变化,但是Al的掺入促进了薄膜中Si晶粒的形成,同时薄膜中出现了Si-O-Al结构复合体。600℃退火Al掺杂硅碳氧薄膜光致发光最强,PL谱中出现了中心波长位于412nm的370nm～470nm的强发光带。其发光机理可概括为:电子吸收不同能量的光子被激发到SiO2的Si-O或O≡Si-Si≡O氧空位缺陷及Si-O-Al复合体产生的能级上,处于激发态的电子通过多声子作用驰豫到纳米Si晶粒表面缺陷中心和空穴复合发出相应光子,且其最佳激发波长为对应于SiO2氧缺陷能级的273nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 硅基发光材料研究的背景及意义
• 1.2 硅基发光材料的类型
• 1.3 硅基硅碳氧发光材料
• 1.3.1 硅基硅碳氧薄膜的优势及问题
• 1.3.2 硅基硅碳氧发光薄膜研究进展
• 1.3.3 硅基硅碳氧发光薄膜的制备方法
• 1.4 论文的研究意义、目的及内容
• 1.4.1 论文的研究意义和目的
• 1.4.2 论文的研究内容
• 1.4.3 论文的研究方法
• 1.4.4 论文章节安排
• 第二章 薄膜样品的制备及性能表征
• 2.1 磁控溅射原理及设备
• 2.1.1 磁控溅射方法原理
• 2.1.2 TXZ-5001磁控溅射镀膜机简介
• 2.2 硅碳氧发光溥膜样品的制备
• 2.2.1 基片清洗
• 2.2.2 溅射制备样品
• 2.2.3 快速热退火处理
• 2.3 硅碳氧薄膜的表征
• 2.3.1 AFM表征
• 2.3.2 SEM分析及能谱仪表征
• 2.3.3 厚度测量
• 2.3.4 X射线衍射表征
• 2.3.5 傅立叶红外光谱表征
• 2.3.6 光致发光表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 硅碳氧薄膜的结构和发光特性研究
• 3.1 工艺条件优化
• 3.1.1 SiC靶溅射功率优化
• 3.1.1.1 SiC靶溅射功率对沉积速率的影响
• 3.1.1.2 SiC靶溅射功率对表面形貌的影响
• 3.1.2 工作气压优化
• 3.1.2.1 工作气压对沉积速率的影响
• 3.1.2.2 工作气压对表面形貌的影响
• 3.2 硅碳氧薄膜的组织结构分析
• 3.2.1 退火硅碳氧薄膜的表面形貌
• 3.2.1.1 硅碳氧薄膜AFM表征
• 3.2.1.2 硅碳氧薄膜SEM及能谱分析
• 3.2.2 硅碳氧薄膜元素键合状态分析
• 3.2.3 硅碳氧薄膜晶相分析
• 3.3 硅碳氧薄膜的发光特性研究
• 3.3.1 硅碳氧薄膜光致发光谱分析
• 3.3.2 硅碳氧薄膜发光机理探讨
• 3.4 本章小结
• 第四章 Al掺杂硅碳氧薄膜的结构和发光特性研究
• 4.1 Al掺杂剂量对硅碳氧薄膜特性的影响
• 4.1.1 Al掺杂剂量对薄膜表面形貌的影响
• 4.1.2 Al掺杂剂量对薄膜发光特性的影响
• 4.2 Al掺杂硅碳氧薄膜组织结构分析
• 4.2.1 Al掺杂硅碳氧薄膜的表面形貌
• 4.2.1.1 Al掺杂碳氧薄膜AFM表征
• 4.2.1.2 Al掺杂硅碳氧薄膜SEM及能谱分析
• 4.2.2 Al掺杂硅碳氧薄膜元素键合状态分析
• 4.2.3 Al掺杂硅碳氧薄膜晶相分析
• 4.3 Al掺杂硅碳氧薄膜的发光特性研究
• 4.3.1 Al掺杂硅碳氧薄膜光致发光谱分析
• 4.3.2 Al掺杂硅碳氧薄膜发光机理探讨
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果