環(huán)境半導(dǎo)體材料Ca-,2-Si的制備及其光電特性研究.pdf

1、本文首次應(yīng)用射頻磁控濺射系統(tǒng)制備了環(huán)境半導(dǎo)體Ca<,2>Si薄膜，并用X射線衍射、掃描電鏡、原子力顯微鏡、橢圓偏振光譜儀和四探針儀研究了不同退火條件下薄膜的結(jié)構(gòu)和特性。應(yīng)用第一性原理對(duì)Ca<,2>Si的能帶結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 首先簡(jiǎn)單介紹了環(huán)境半導(dǎo)體材料Ca<,2>Si的研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)地介紹了Ca<,2>Si的磁控濺射制備技術(shù)，并對(duì)X射線衍射儀、掃描電鏡、原子力顯微鏡、橢偏儀和四探針儀的工

2、作原理及其特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單介紹。 研究了退火溫度對(duì)Ca<,2>Si薄膜生長(zhǎng)的影響。對(duì)p型Si(100)襯底上Ca膜在不同溫度(750℃，782℃，795℃，800℃，850℃)下退火60min，結(jié)果表明：800℃是生長(zhǎng)Ca<,2>Si薄膜的最佳熱處理溫度，并且生長(zhǎng)了較大的晶粒。運(yùn)用橢圓偏振光譜儀對(duì)Ca<,2>Si的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，在1.5eV-4.5eV光子能量范圍內(nèi)，隨著光子能量的增大，Ca<,2>Si薄膜的折射率n

3、先減小后增大，在4.3eV附近取得最小值；其消光系數(shù)k呈相反變化趨勢(shì)，在3.3eV附近取得極大值。應(yīng)用四探針儀對(duì)p型Si(100)襯底上生長(zhǎng)的Ca<,2>Si薄膜進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，增加退火溫度，電阻率增大。 研究了退火時(shí)間對(duì)Ca<,2>Si薄膜生長(zhǎng)的影響。800℃溫度下對(duì)不同襯底上Ca膜進(jìn)行不同時(shí)間(30min，45min，60min，90min)的退火，XRD結(jié)果顯示：在n型Si(111)襯底上生長(zhǎng)了比較單一的Ca<,2>

4、Si<,3>薄膜，在p型Si(100)襯底上生長(zhǎng)了比較單一的Ca<,2>Si薄膜。橢圓偏振光譜儀測(cè)試結(jié)果表明：隨著光子能量的增大，Ca<,2>Si薄膜的折射率n先減小后增大，在4.3eV附近取得極小值；其消光系數(shù)k先增大后減小，在3.3eV附近取得極大值。四探針測(cè)試結(jié)果顯示增加退火時(shí)間，Ca<,2>Si薄膜電阻率增大。 最后采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢(shì)平面波方法對(duì)Ca<,2>Si的能帶結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算

5、結(jié)果表明：立方相和正交相的Ca<,2>Si都是直接帶隙半導(dǎo)體；立方相Ca<,2>Si在GGA和LDA近似下的帶隙值分別為0.5663eV和0.4117eV；正交相Ca<,2>Si在GGA和LDA下的帶隙值分別為0.3193eV和0.1365eV。態(tài)密度分析表明Ca<,2>Si的價(jià)帶由Ca的4s，4p、3d態(tài)和Si的3p態(tài)構(gòu)成；Ca<,2>Si的導(dǎo)帶主要是由鈣的3d，4s，4p態(tài)構(gòu)成，硅的3s，3p對(duì)導(dǎo)帶的貢獻(xiàn)相對(duì)要小得多。對(duì)Ca<,2>