论文摘要
为了实现间接带隙材料一硅的高效发光，人们在材料工程方面探索具有直接带隙的半导体材料。β-FeSi2是少有的几种半导体型金属硅化物，它是一种环境友好的半导体材料，具有0.85-0.89eV的直接带隙，可在Si表面外延生长，近年来作为一种很有前途的光电材料而被广泛研究。然而大量的研究发现，制备的β-FeSi2薄膜存在着晶体质量不高、膜基结合不好的缺点，因此颗粒化及非晶化正在成为提高其应用性能、改善薄膜质量及膜基界面失配度的有效途径。本次论文工作的目的是利用β-FeSi2／a-Si多层结构来实现β-FeSi2颗粒的纳米化和高密度。本论文采用射频磁控溅射的方法在单晶Si基体上沉积Fe／Si多层膜，通过一定的退火工艺，合成纳米β-FeSi2／a-Si多层结构，并利用透射电子显微镜、高分辨电子显微术、X射线衍射等分析手段，研究了多层结构和制备工艺之间的相互关系。同时还测量了样品的带隙宽度和光致发光信号。研究结果表明，通过磁控溅射制备的Fe／Si多层膜平整度较好，此时Fe／Si多层膜中的Si是呈非晶态，沉积的Fe与Si层化合直接得到β-FeSi2相小颗粒，未经退火直接就得到β-FeSi2／a-Si结构。颗粒尺寸在20nm以下，远小于50nm的尺寸限，满足产生量子限制效应的要求。颗粒的形状不是很规则，β-FeSi2颗粒和Si之间没有明显界面。样品经过1小时的退火，硅化物层会逐渐断裂，团聚生长，而到了8小时，颗粒已经基本由刚刚沉积时的不规则形状变成了椭圆形甚至圆形，边缘清晰，团聚生长的现象已经很明显，颗粒尺寸最大可达100nm左右。β-FeSi2相成分没有发生变化。红外吸收结果显示β-FeSi2具有直接带隙结构，带隙能量在0.85-0.88eV之间，未退火时β-FeSi2相颗粒尺寸在20nm以下，颗粒尺寸小导致发光蓝移，带隙宽度变大，Egd值近似0.94eV。经过850℃的真空退火处理后，颗粒尺寸变大，蓝移效果消失，Egd值在0.88eV附近，与β-FeSi2的带隙宽度0.85-0.87eV较为接近。首次在室温下观察到了低信号强度的β-FeSi2光致发光信号，详细分析了这一发光信号来源的可能性，并讨论了退火对β-FeSi2光致发光信号的影响。此外由于受到β相颗粒体积和连续性的影响，本次实验所测得的光致发光信号强度较弱。