硅系纳米复合薄膜的制备及其微结构、光电性能研究

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1、浙江大学博士学位论文摘要本论文旨在通过对硅系纳米复合薄膜的制各方法、结构特征及光电性能的研究，探讨微结构对材料物性的影响规律，以期达到通过调整工艺参数控制材料微结构，进而控制材料物性的目的，实现对材料结构、物性的设计和加工。论文全面回顾了纳米硅薄膜及硅系纳米复合薄膜的制各方法、生长机理、结构特征和光电性能等研究与发展状况，总结评述了其面临的主要问题、解决思路、以及应用和发展前景。采用等离子体化学气相沉积(PECVD)的方法制各了纳米硅(nc．Si：H1、纳米硅碳(nc—SiC。：H)、纳米硅氧(nc．Si0。：H)及硼、磷掺杂的纳米硅薄膜，并应用AFM、Ⅺm、

2、TEM、IR、uV、xPs、PL等分析测试方法，系统研究了不同制备条件下薄膜的结构特征和光电性能。测定并建立了薄膜的微结构与光电性能的对应关系，取得了一系列重要结论和创新性研究成果，为硅系纳米复合薄膜的制备和物性规律总结，及其进一步的应用研究打下了基础。成功获得了结构、性能良好的纳米硅薄膜，研究确定了其微观结构。所得纳米硅薄膜的结构是大量非晶网络包围纳米硅晶而形成的镶嵌式两相复合结构，薄膜结晶取向以si(111)面为主，晶粒大小6～1011ITl左右，在薄膜网络中呈无序分布，晶态率最高可达60～70％。提出硅薄膜沉积的生长中心模型，从热力学反应基元的角度定性描

3、述了纳米硅薄膜的生长过程。由于等离子体高频电场和基板温度提供的能量，硅氢等基团在基板表面形成若干生长中心，发生聚集、成核及生长然后成膜。研究了硅烷浓度、射频功率、衬底温度等工艺参数对薄膜形成过程中生长中心密度、晶化和生长过程的影响机制，获得了优化的等离子体化学气相沉积法制备纳米硅薄膜的工艺条件。生长中心过密或过疏都无法得到理想的纳米硅薄膜，硅烷浓度的升高、射频功率的增加都会提高生长中心密度，衬底温度则主要为原子在基板表面的迁移生长提供能量，衬底温度的升高有利于薄膜晶化和生长。用分子动力学的方法对硅薄膜的沉积过程进行了计算机模拟，发现薄膜沉积过程中沉积原子占有了

4、系统中大多数的动能，降低了衬底原子的扩散能力，沉积浙江大学博士学位论文Si原子能够起到阻挡作用，同时沉积的原子会有一部分注入到衬底表层并与原来的衬底原子相互作用，导致结果是Si—O网络发生变化，O-Si一0键角减小；发现Si原子的沉积还可以降低衬底表层的动力学温度。研究证实，纳米硅薄膜中存在晶态传导和非晶态传导两种传导机制，纳米硅晶网络中的电子在一定条件下可以通过热辅助隧穿的方式越过晶间势垒，构成电导通路。晶态率的上升，硅晶粒的纳米尺寸效应是纳米硅薄膜高电导率和宽光学能隙的来源，电导率变化幅度可达6个数量级以上。以硼烷和磷烷为掺杂源，采用与硅烷一起反应的方法对

5、纳米硅薄膜实施原位掺杂，沉积得到了B、P掺杂的nc—Si：H薄膜，成功实现了纳米硅薄膜的可控掺杂，掺杂效率高，为纳米硅薄膜的实际工业应用打下了良好基础。研究发现，一定量磷原子的掺入对薄膜的晶化生长有促进作用，而硼原子的掺入对薄膜晶化有明显抑制作用。硼、磷掺杂可以有效改善纳米硅薄膜的光电性能，大幅提高薄膜的电导率。硼掺杂时薄膜电导率可由未掺杂时的5．6×10’4n。1cm。1升至掺杂浓度O．5％时的4．O×10。1n。1cm～。而对纳米硅薄膜实施磷掺杂后，薄膜电导率上升更为明显，最高数量级可达1，Q。1cm～，相比未掺杂的纳米硅薄膜提高幅度达4个数量级以上。由于

6、磷原子更容易以替位形式进入硅晶体的网络结构，磷的掺杂效率要高于硼。以乙烯气体为碳源与硅烷一起反应，成功合成了硅碳纳米复合薄膜。与纳米硅薄膜相比，硅碳纳米复合薄膜的微结构形式没有发生变化，仍然是纳米晶粒镶嵌在非晶基质中的复合结构。薄膜中的纳米晶粒是硅晶体，主要是Si(111)晶面取向，没有发现SiC晶体的存在。碳原子的引入不利于薄膜晶化，碳原子进入薄膜的网络结构后，薄膜晶化程度明显降低。碳原子的引入导致薄膜电导率逐步降低，光学能隙展宽，最高可达2．15eV。首次提出，以笑气、硅烷和氢气为原料，用PEcvD法直接合成硅氧纳米复合薄膜，不经任何后处理，即可观察到可见

7、光致发光效应，并研究确定了影响硅氧纳米复合薄膜发光性能的关键参数及调控机制。得到的nc—sio。：H薄膜是一种硅纳米晶粒镶嵌在非晶氧化硅网络中的复合相结构，硅晶粒结晶取向以Si(111)为主，晶粒尺寸大小在8nm左右。未经任何后处理，可以观察到nc—si0。：H薄膜的可见光致发光效应，发光峰位在530nm(2．34eV)左右，随着笑气比例升高，II浙江大学博士学位论文薄膜中氧含量增加，发光强度也随之提高，峰位略有蓝移。衬底温度升高在低温阶段可咀明显改善薄膜的晶化程度并提高薄膜中的氧含量，因而发光性能得到提高。在高温阶段继续提升沉积温度，薄膜的发光强度趋于稳定，

8、对沉积温度不再敏感，此时薄膜中氧含量继