射频等离子体化学气相沉积制备硅基发光薄膜的过程和性能研究

论文摘要

本文主要介绍了通过射频等离子体增强化学气相沉积法,利用SiHH4和Ar作为反应气体,在不同的射频功率条件下进行气相沉积反应,制备出具有良好多晶结构的硅基发光薄膜。并对薄膜的微观形貌、晶态结构、化学成分和光致发光性能进行了表征。通过对反应等离子体发射光谱的诊断,研究射频功率变化对于等离子体成分和各成分相对含量的影响,进而研究SiHH4等离子体相化学反应、等离子体与固相材料的相互作用和等离子体成分、相对含量对于薄膜形貌、结构、结晶性质、化学成分和光致发光性质的影响。我们自行设计了单管式和套管式两种反应器,利用其构造特点产生等离子体炬进行沉积,具有等离子体产生的区域大小和位置可以调节、薄膜制备方便的特点。其中,套管式反应器结构略微复杂,放电强度高,但是管内气流分布不均匀的缺点还有待改进；单管式反应器结构简单,放电区域便于调节,并且气流分布均匀,是薄膜沉积实验中最终采用的反应器类型。硅基薄膜的物理化学结构进行了表征。通过SEM测试,发现射频功率参数对于薄膜形貌有很大影响,当射频功率60 W时,薄膜由1μm左右的团簇组成,组成团簇的小颗粒尺寸约为50 nm左右,表现出松散的形貌。随着功率提高,小颗粒发生融合,团簇也发生了辐射状的取向生长,薄膜变得致密。通过XRD分析,薄膜在功率120 W时呈现出Fcc结构的多晶态,并根据Scherrer公式测算了晶粒粒径。利用TEM测试对薄膜的晶型进行了验证,与XRD结果完全一致,而且晶粒的实际尺寸也与计算值基本吻合。通过FTIR测试,发现随着功率的提高,薄膜中Si-H键含量趋于上升后达到饱和,而在120W功率条件时,Si-Si键的含量激增,而Si-O键的含量锐减,这有利于薄膜的结晶。其原因是功率增加有利于SiHH4的裂解,进而产生的H对于薄膜的硅结构的还原和重整作用加强。薄膜的性能表征,我们进行了光致发光谱的测试。利用280 nm波长的光源作为激发光,得到了在390 nm和470 nm两个光致发光峰,波长390 nm的发光峰源于硅晶粒与Si02基质之间的界面结构缺陷,而波长470 nm的发光峰源于薄膜中（03≡Si-Si≡03）结构的中性氧空位缺陷。这两个发光峰的强度均随着射频功率的提高而下降,原因是薄膜自身杂质O含量下降,以及薄膜结构变得致密后不宜氧化,导致发光中心减少。借助发射光谱诊断,对于反应等离子体的成分及其相对含量进行了测定。发现SiHH*和H*的谱线强度均随功率提高而增强,这说明SiHH4的裂解程度提高。其中H。的强度逐渐趋于饱和,这可能与反应气体总量一定有关；Hβ的强度却在功率120 W出现陡增,推测其可能的原因是与Hβ的跃迁能级较高有关。结合FTIR结果中,Si-Si键和Si-O键的变化规律,说明Hβ对于Si-O键的还原有很好的作用,同时也符合了SEM和XRD的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅基薄膜的研究进展
• 1.2.1 硅基薄膜的研究意义
• 1.2.2 硅基薄膜的研究进展
• 1.3 等离子体增强化学气相沉积
• 1.3.1 等离子体概述
• 1.3.2 等离子体应用
• 1.3.3 等离子体增强化学气相沉积
• 1.3.4 等离子体增强化学气相沉积的应用及机理
• 1.4 本文的研究内容与创新点
• 1.4.1 本文的研究内容与结构
• 1.4.2 本文的创新点
• 参考文献
• 2 实验设计
• 2.1 等离子体增强化学气相沉积硅基发光薄膜实验
• 2.1.1 实验装置与特点
• 2.1.2 样品制备过程
• 2.2 基发光薄膜的表征
• 2.2.1 薄膜表面形貌测试
• 2.2.2 薄膜结晶态及结晶取向测试
• 2.2.3 薄膜晶格微结构观察
• 2.2.4 薄膜化学键组成分析
• 2.2.5 薄膜光致发光性质测定
• 2.3 等离子体放电参数及发射光谱测定
• 2.3.1 等离子体放电参数的测定
• 2.3.2 等离子体发射光谱的测定
• 参考文献
• 3 射频等离子体化学气相沉积法制备硅基发光薄膜的表征
• 3.1 硅基薄膜的表面形貌SEM分析
• 3.2 硅基薄膜的XRD结晶结构分析
• 3.3 硅基薄膜的TEM表征及电子衍射花样分析
• 3.4 硅基薄膜的红外吸收化学键结构分析
• 3.5 硅基薄膜的光致发光特性
• 参考文献
• 4 反应等离子体的放电特性与发射光谱诊断
• 4.1 反应等离子体的电学参数测定
• 4.1.1 介质阻挡放电特征
• 4.1.2 介质阻挡放电的物理过程
• 4.1.3 反应等离子体电学参数测定
• 4.2 反应等离子体发射光谱诊断研究
• 4.2.1 测量等离子体发射光谱的意义
• 4.2.2 等离子体发射光谱诊断装置
• 4.2.3 反应等离子体发射光谱诊断
• 4.2.4 反应等离子体成分对于沉积薄膜成分、结构的影响
• 参考文献
• 5 总结
• 致谢
• 攻读硕士期间发表文章