硅基β-FeSi2薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)和光電性能研究.pdf

1、硅基光電子是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步具有重要的意義,是國(guó)際信息領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。但是,到目前為止,硅基光電子技術(shù)的關(guān)鍵——室溫硅基發(fā)光,依舊沒(méi)有解決。半導(dǎo)體金屬硅化物β-FeSi2具有0.85eV左右的直接帶隙,可能得到近紅外的發(fā)光,因此硅基β-FeSi2的研究和開(kāi)發(fā)引起了人們的廣泛關(guān)注和重視。
　　 本文采用電子束蒸發(fā)(EBE)和脈沖激光沉積(PLD)等薄膜材料制備方法,制備出不同結(jié)構(gòu)的硅

2、基β-FeSi2薄膜材料,研究了各種工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和相關(guān)性能的影響;同時(shí),通過(guò)添加SiNx緩沖層,成功得到了β-FeSi2薄膜的光致發(fā)光。取得主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果如下:
　　 采用電子束蒸發(fā)結(jié)合后續(xù)熱處理的方法,制備了不同結(jié)構(gòu)的β-FeSi2薄膜,并研究熱處理溫度對(duì)β-FeSi2相變的影響。發(fā)現(xiàn)薄膜態(tài)的β-FeSi2和α-FeSi2之間的轉(zhuǎn)化溫度大約在800℃-850℃之間,比體相的β-FeSi2和α-FeSi2之間的轉(zhuǎn)化溫度低。研

3、究還發(fā)現(xiàn)在Fe-Si薄膜的熱處理過(guò)程中,當(dāng)高溫相的α-FeSi2形成后,將很難再轉(zhuǎn)化為低溫穩(wěn)定相β-FeSi2。對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的薄膜,吸收光譜的研究結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)800℃5小時(shí)熱處理后,薄膜均具有明顯的直接帶隙,禁帶寬度約為0.85-0.87eV。此外,對(duì)于結(jié)構(gòu)為Si/Fe/Si和Fe/Si的薄膜,隨著薄膜中Fe層厚度的增加,薄膜中晶體質(zhì)量均出現(xiàn)明顯的下降;當(dāng)Fe的厚度為100nm時(shí),由于Fe原子在單晶Si和非晶Si之間擴(kuò)散特性不同,造成

4、兩種不同結(jié)構(gòu)的樣品熱處理后生成不同的相。
　　 采用電子束蒸發(fā)反應(yīng)沉積的方法制備了不同結(jié)構(gòu)的Fe-Si薄膜,研究了襯底溫度、薄膜厚度等因素對(duì)最終形成薄膜的相分布、晶粒尺寸等的影響。研究結(jié)果表明選擇合適的襯底溫度和厚度,電子束蒸發(fā)反應(yīng)沉積法可以制備晶粒大小可控并且均勻的薄膜。當(dāng)襯底溫度為850℃時(shí),Fe原子在襯底表面的解吸附比例非常大,導(dǎo)致只有很少的Fe原子沉積下來(lái)形成穩(wěn)定的Fe-Si薄膜。當(dāng)襯底溫度為800℃和700℃時(shí),可以通

5、過(guò)電子束蒸發(fā)反應(yīng)沉積法直接得到β-FeSi2薄膜,該薄膜均具有0.85eV左右的直接帶隙,而更低的襯底溫度下無(wú)法直接得到β-FeSi2薄膜。隨著襯底溫度的降低,制備的薄膜晶體質(zhì)量也出現(xiàn)明顯的下降。
　　 通過(guò)脈沖激光沉積法,分別采用單質(zhì)Fe和Si靶材以及不同化學(xué)配比的Fe-Si合金靶材,制備不同結(jié)構(gòu)的薄膜,并研究各工藝參數(shù)對(duì)β-FeSi2薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。當(dāng)采用單質(zhì)Fe和Si靶材時(shí),對(duì)于制備的各種不同結(jié)構(gòu)的薄膜,經(jīng)過(guò)8

6、00℃的熱處理后均可以得到純的β-FeSi2相。同時(shí)發(fā)現(xiàn)薄膜的應(yīng)力狀態(tài)不同,只沉積一層Fe薄膜的樣品β-FeSi2所處的應(yīng)力最大,導(dǎo)致其FTIR譜的峰位明顯偏移;而沉積了一層Si和Fe的樣品應(yīng)力狀態(tài)有所緩解;對(duì)于沉積了Si/Fe/Si三層薄膜的C結(jié)構(gòu),由于Fe和Si原子可以充分反應(yīng),生成的β-FeSi2所處的應(yīng)力最小;不僅如此,應(yīng)力狀態(tài)的不同還會(huì)導(dǎo)致了不同結(jié)構(gòu)β-FeSi2薄膜的禁帶寬度不同。研究還指出,采用合金靶時(shí),當(dāng)沉積時(shí)間為60分

7、鐘時(shí),所有沉積得到的樣品經(jīng)過(guò)熱處理后均能形成β-FeSi2,但只有Fe和Si的原子化學(xué)配比為1:5和1:10的靶材制備的樣品的吸收光譜出現(xiàn)了β-FeSi2相關(guān)的光吸收。
　　 最后,通過(guò)在β-FeSi2薄膜和單晶Si襯底之間添加一層SiNx作為緩沖層,成功的得到了β-FeSi2的低溫光致發(fā)光。研究表明:SiNx緩解了β-FeSi2生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)力,減小了晶格扭曲,改變了能帶結(jié)構(gòu),可能是在β-FeSi2的禁帶中引入了淺能級(jí),使β-