金属和半导体颗粒复合硅基薄膜结构及发光特性的研究

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1、金属和半导体颗粒复合硅基薄膜的结构及发光特性的研究中文摘要摘要光电子信息材料是本世纪最受关注的材料之一，光电子集成器件在信息时代有极其重要的作用。由于硅的平面集成工艺已相当成熟，所以从工艺兼容性考虑，用硅基材料作为发光器件将是最佳的选择，而其获得应用的关键是提高发光效率。我们利用双离子束共溅射和射频磁控共溅射技术制备了～系列含有半导体Si、Ge颗粒及金属颗粒Al的薄膜，即si—SiO。薄膜、Ge—SiO：薄膜和A1一Si—SiO。薄膜，分别对它们的结构、光吸收以及发光性质进行了研究。一．利用双离子束溅射沉积技术，通过共溅射方法制备了Si—Si02薄膜，研究了沉积时间、工作气压P小基片温度等对

2、沉积速率的影响。用TEM和XRD分析了样品的结构。当温度较低时(沉积时的基片温度Ts<450。C，后处理退火温度Tm<800。C)时，制备的样品均为非晶结构，当温度较高时(Ts≥450℃，Ta≥800。C)薄膜样品中才出现Si的结晶颗粒。利用射频磁控溅射技术制备了Ge—Si02样品，当退火温度Ta<6006C时，样品无明显晶态衍射峰；随着退火温度从600"C升高至800"C、1000’C时，样品中开始有晶粒出现，样品中Ge纳米晶粒平均尺寸从3．9nm增大到4．7nm、6，lnm。XPS结果表明：经低温退火的薄膜中含有较多的Ge02和较少的Ge、Ge203与GeO，提高退火温度，样品中Ge02

3、、Ge203减少而单质Ge增加，而GeO含量和SiO含量，则为先增加后急剧减少。利用双离子束共溅射法所制备的A卜Si—Si0：薄膜样品中，掺入的A1和si主要是以单质A1和SiO。的形式存在。二．光吸收特性研究表明，因量子限域效应，对于Ge—SiO。薄膜观察到较强的光吸收和光吸收边随Ge颗粒尺寸变小而蓝移的现象。对于Si．Si02薄膜和A1-Si—Si02复合薄膜，其吸收边与块状Si晶体的吸收边相比也发生了不同程度的蓝移，蓝移量与样品制备参量有关。通过与Ge—SiO：薄膜的吸收曲线及光学带隙的对比，可估计其能隙在1．5-2．8eV之间，这可能是由于样品内存在大量的缺陷金属和半导体颗粒复合硅基

4、薄膜的结构及发光特性的研究[}J文摘要或杂质，以及极少量的Si颗粒团蔟，而它们的载流子受到限域效应的作用，从而造成了样品能隙的展宽和吸收边的蓝移。三．根据PL谱，分析了Si．Si02薄膜样品的室温光致发光现象，样品有．320nm，～410nm，～560nm和～630rim四个PL峰，它们的PL峰是相互分离的。样品的320nm和410nm的PL发光峰来源于材料中的中性氧空位缺陷：560nm的光来自于Si．Si02膜中大量SiOx(x<2)相的存在所产生的大量缺陷；630nm的发光可能与样品中的NBOHC(非桥氧空位缺陷)有关，作为一个富氧的缺陷中心它必定是弱而不稳定的。对于Ge—Si02薄膜在

5、室温下能观测到394nm的紫光发射，经退火处理后能观测到580nm的黄光发射。测试分析表明，紫光由GeO缺陷引起，黄光和Ge纳米晶粒的出现相联系，可能来源于Ge纳米晶粒与Si02基质界面处的缺陷，Ge—SiO：薄膜样品的PL峰位只与发光中心相关。通过研究发现，Al-Si—Si02薄膜存在三个相互分立的发光中心，分别位于370nm，410nto，510nm。这三个PL峰中除410nm与Si．Si02薄膜的PL峰相同外，又多出了370nto和510nm两个PL峰，并且510nm峰是主要的发光峰。PLE结果表明，370nm和410nm的PL峰与样品中的氧空位缺陷有关，而510nm的PL峰则是由于铝

6、的掺入改变了样品中的缺陷状态所致，是Al、Si、O共同而复杂的作用结果。四，用不同的方法制备的Si—Si0。薄膜、Ge—SiO。薄膜和A卜Si—SiO：薄膜，在较低的电压下均观察到了室温可见电致发光现象，峰位都在510nm左右，其峰位不因薄膜样品内所含颗粒的种类、薄膜的制备方法、偏压及后处理的影响，表明电致发光主要来源于电子和空穴在SiO，基质中的发光中心的辐射复合发光。讨论了光致发光和电致发光存在差异的原因。实验发现，当薄膜中掺入金属颗粒铝时，薄膜的发光效率得以提高，并且随着铝含量的增加，薄膜的发光效率亦相应增强。表明A1的掺入尽管未改变发光中心的结构但却有助于改善薄膜的导电状态，增加了发

7、光中心，从而提高了薄膜的发光效率。II金属和半导体颗粒复台硅基薄膜的结构及发光特性的研究中文摘要关键词：Si—SiO：薄膜、Ge—SiO。薄膜、A卜Si—SiO：薄膜、结构、光吸收特性、光致发光、电致发光III作者：吴雪梅指导教师：宁兆元金属和半导体颗粒复合硅基薄膜的结构及发光特性的研究英文摘要StructureandLuminescentPropertiesofSi——BasedFilmsContainin