ge-sio2薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性研究

1、· 5 2·材料導(dǎo)報 2 0 0 4 年 4月第 1 8 卷專輯 I IG e — S i O ： 薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性研究 欒彩 霞侯 東華柴躍 生 張敏 剛。( 1太原 重型機械 學(xué)院 ， 太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 上海 大學(xué) ， 上 海 2 0 0 0 7 2 ； 3中科 院固體物理 研究所 ， 合肥 2 3 0 0 3 1 )摘要 用射 頻共濺射技 術(shù)和后 退火的方 法， 制 備 出埋入 S

2、 i O基質(zhì) 中的 G e 納 米晶復(fù)合膜 ( n c — G e ／ S i 0) 。 通過拉 曼散 射 、 光致發(fā) 光和透射 電子顯微鏡 等手段研 究 了該 復(fù)合膜的光 學(xué)特性和 薄膜結(jié) 構(gòu)。關(guān)鍵詞 G e 納米晶拉曼散射 光致發(fā)光 透射電子顯微鏡 S t u d yo nS t r u c t u r ea n dOp t i c a lPr o p e r t i e so fGe - S i O2Fi l msLUAN C

3、a i x i aHOU Do n g h u aCHAIYu e s h e n g，Z HANG M i n g a n g， 。( 1Ta i y u a nHe a v yM a c h i n e r yI n s t i t u t e，Ta i y u a n0 3 0 0 2 4 ； 2S h a n g h a iUn i v e r s i t y， S h a n g h a i2 0 0 0 7 2；3I n

4、 s t i t u t eo fS o l i dP h y s i c s ， Ch i n e s eAc a d e myo fS c i e n c e s ，He f e i2 3 0 0 3 1 )Ab s t r a c tGen a n o c r y s t a l se mb e d d e di nS i ( ) ! t h i nf i l mswe r ep r e p a r e db yR Fc o —

5、s p u t t e r i n gt e c h n i q u ea n dp o s t — a n n e a l i n gt r e a t me n t ． Us i n gRa ma ns c a t t e r i n g， p h o t o l u m i n e s c e n c ea n dTEM me a s u r e me n t s， t h ea u t h o r si n v e s t i

6、 —g a t e dt h eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e so ft h eGe+ S i 0 2c o mp o s i t ef i l ms ，Ke ywo r d sG en a n o c r y s t a l s ， R a ma ns c a t t e r i n g ， p h o t o l u mi n e s c e n c

7、e ， TE M U刖 菁 納 米半導(dǎo)體 薄膜 以其 在光學(xué)方 面表現(xiàn) 出的奇異特性 和廣泛 的應(yīng)用前 景 ， 引起 了人 們 的重 視 ， 如 Ⅳ族 元 素 半 導(dǎo) 體 ( G e 。 S i ，C) 的納米結(jié) 構(gòu)在 室溫情 況下表 現(xiàn) 出的可見 光致發(fā) 光性 質(zhì) ， 受到 廣 泛關(guān) 注 。對多 孑 L 硅 ， 埋 入 S i O基質(zhì) 中的納 米 G e。 、 納 米 S | l 4 _ 、 納米 C 口發(fā) 光性質(zhì) 的理 論及實驗 已

8、有所 報道 。體相 的 G e 、S i 材 料是 間 接帶 隙半 導(dǎo) 體 ， 具 有 較 小 的光 學(xué) 帶 隙 寬 度 ( 0 ， 6 7 、1 ． 12 e V) 和非常 低的光輻 射效 率 ， 其發(fā)光 特性 不是很 好 ， 而且 不可 能發(fā)射 出可 見光 ， 這 在一定 程度 上 限制 了晶體材 料在 光學(xué)方 面 的應(yīng)用 。 對 比體 晶和納米 晶復(fù)合膜 兩者之 間結(jié)構(gòu)的差異 ， 有研 究 者認(rèn) 為埋 入 S i 0 。 中的 G

9、 e 、 S i 納 米 晶所表現(xiàn) 出的室 溫可見 光 致 發(fā)光 ( P L ) 特性 是 與量子 限制效應(yīng) 有關(guān) 的_ 3] 。由于量 子限制 效 應(yīng) ， 納 米材料 的能 帶結(jié)構(gòu)具 有直接帶 隙的特 征 ， 同時伴隨著光 學(xué) 帶隙發(fā)生藍(lán) 移 ， 能態(tài)密度 增大和 光輻射效率 增強 。為 了能獲得 品質(zhì) 優(yōu) 良的埋 入 S i O 。 薄膜 中 的納米 G e 、 S i 材 料 ， 以實現(xiàn)其 在 發(fā)光 、 激光 、 光開關(guān) 、 光

10、通訊 等方 面的廣 泛 應(yīng)用 ，一 些 薄膜制造 技術(shù) 已經(jīng) 被用來制 備這類 復(fù)合膜 ， 如 磁控濺 射、離子 束濺射 7 、 溶膠 一 凝膠 技術(shù) 等 ， 并取得 了一定的成 功 。 本文 采用 射頻共濺 射技術(shù) 和后 退火處 理方 法 ， 制 備埋 入 S i O基質(zhì) 中的納米 G e ( n c — G e ／ s i 0。 ) 復(fù)合膜 ， 通過 拉曼 散射 、 光致 發(fā)光 、 透射 電 子 顯微 鏡 ( T E M) 等測

11、量 手段 ， 研 究 n c — G e ／ S i 0 。 復(fù)合 膜 的結(jié) 構(gòu) 和光學(xué) 特性 。1樣 品制 備 實 驗 所 用 基 片 為 ( 1 O 0 ) 取 向 的 單 晶 硅 ， 電 阻 率 為 8 ～12 Q c m。實驗前依 次經(jīng) 過 丙 酮、 乙醇 、 去 離 子 水超 聲清 洗 。G e —s i 0 。 薄膜 的制 備在 F J L 5 6 0型超高 真空磁 控與離 子束聯(lián) 合濺射 設(shè)備上 進行 ， 濺 射功 率 為

12、 1 0 0 W ， 工 作氣 壓 為 2 P a ， 基 片 為室 溫 。濺射靶 為 1 0 r a m×1 0 m m×3 mm 的單 晶 G e 片 與 中 6 0 m m×5 mmS i O相拼而成 的復(fù)合靶 。退火溫 度 由 6 0 0 。 C變 化至 1 0 0 0 。 C 。 樣 品厚度為 3 O O ～4 0 0 n m。在 室溫下 用 L A B R A M— H R 激光 共焦顯 微拉曼

13、 光譜 儀測量 樣 品的拉 曼散射 譜 ， 采用 A r 激光器 的 5 1 4 ． 5 n m 線 激發(fā)光源 。 用 Hi t a c h iF 一 4 0 1 0熒光 分光 光度 計測 量 P L譜 ， 激 發(fā)光 源為 15 0 W 的 X e 燈 。在 P h i l i p sC M3 0 0F E G 系統(tǒng)上進 行 T E M 實驗 ， 工作 電壓為 3 0 0 k V。2 結(jié)果和 討論 圖 1示 出 了未 退 火和 在 6

14、0 0 ～1 0 0 0 。 C退 火 3 0 0 s的 樣 品的 拉 曼 譜 。未 退火 的沉 積 膜 的 拉曼 譜 為 1 個 包 峰 ， 峰 形 與 非 晶G e _ g 一 的 非 常 相 似 。 當(dāng) 退 火 溫 度 升 高 時 ， 拉 曼 峰 的 半 高 寬 ( F WH M ) 逐 漸 變 小 。退 火 溫 度 在 6 0 0 ～ 8 0 0 。 C 時 ， 峰 位 位 于2 9 8 c m處 ， 退火 樣品 中出現(xiàn)的 2

15、9 8 c m處 的拉曼峰 非常接 近單 晶 G e ( 3 0 0 ． 5 c m) 的拉 曼峰 位 ， 我 們認(rèn) 為 2 9 8 c m處 的 拉曼 峰 Wa v e n u m b e K c m )圖 1未退火和在 6 0 0 ～1 0 0 0 。 C退火 3 0 0 s的 G e — S i O2 樣品的 拉曼譜 欒 彩霞： 通訊 地址 ： 太原重 型機械 學(xué)院 16 1 信箱 ( 0 3 0 0 2 4 ) E — m a

16、 i l ： c a i y u e rs i n a ． c o m維普資訊 http://www.cqvip.com G e — S i O薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性研究／ 欒彩霞等 · 5 3 ·來 源 于 n c — G e團 的準(zhǔn) 縱 光 學(xué) ( L O) 模 式 振 動 。在 1 0 0 0 。 C 退 火 3 0 0 s 樣 品的拉 曼譜有 明顯 的變形 ， 非 常接 近于未 退火 的沉積 膜 的拉 曼譜

17、， 這可能 是 由于納 米晶 的尺寸分布 引起的 。 而瞬 間退 火( 1 0 0 0 。 C ) 的樣 品的拉曼譜 中有一個 明顯 的拉 曼峰 。波長／ r i m圖 2 不 同退火溫度 的 P L譜 圖 2 是 不同退火樣 品 的 P L譜 。 對 于未退火樣 品 ， 只有 1 個 紫光發(fā)射 峰 ， 峰位在 3 9 4 n m 處 ， 半 高寬 為 0 ． 4 e V， 隨著 退火 溫度 的升高 ， 該 峰 的峰 強不 斷增 強 ，

18、 8 0 0 。 C 時 達到最 大 ， 隨后迅 速 減 弱 ； 而峰 位不發(fā)生 移動 。當(dāng)退 火溫度 高于 6 0 0 。 C時 ， 樣 品不但 有紫光發(fā) 出 ， 同時還 有峰 位在 5 8 O h m 的黃 光發(fā) 出 ， 其 強度 隨退 火溫 度 的升 高 逐 漸 變 強 ， 1 0 0 0 。 C 時 達 到 最 強 ； 峰 位 沒 有 發(fā) 生 變化““。在摻 G e 的 二氧化硅 玻璃 中 ， 存 在 1 個 強 吸收 波段 ，

19、 峰位 在 2 4 2 n m 處 ， 研究 表 明這 個 強 吸收 是 由鍺 氧 缺 陷 中心 引 起 的_ 】。 該 缺陷 中心包 括 2 種 ： 中性氧空 位 中心 和 G e O 缺 陷中心 ，其 中 G e 0缺 陷中心可 以發(fā)出 4 0 O h m 左 右的 P L l _ 】 。 。 這些樣品都 具有 1 個峰位 在 3 9 4 n m 的 紫光 ， 且 樣品 中 G e O 的含量 隨退火 溫度 的變化 關(guān) 系與 P L

20、峰 強度 隨退 火溫 度 的變 化關(guān) 系相 似 ， 表 明3 9 4 n m 的 P L是 由 G e O 缺陷 中心 引起 的。拉曼 散射 結(jié)果表 明 ，當(dāng)退火 溫度高 于 6 0 0 。 C時 ， 樣 品 中有 G e 晶粒 析出 。與 P L的 實驗結(jié)果 相 比可知 ， 5 8 O h m 的黃光發(fā)射 與 G e晶粒的存在有 關(guān) 。 在實驗 中還發(fā) 現(xiàn)對 于相同制 備和退 火條 件下所 得到 的不含 G e的S i O 。 薄 膜

21、樣 品 ， 都 沒有 觀察 到 5 8 O h m 的 P L ， 這說 明黃 光 P L也 不是來 自于 S i 0。 基 質(zhì) 中的缺 陷 。因此 ， 5 8 O h m 的 P L可能 來 自于 G e 納米 晶粒和 S i O基質(zhì) 界面處 的發(fā)光 中心 。圖 3 是 8 0 0 。 C退火 3 0 0 s 樣品的 T E M 圖像 。黑色斑點 是埋 入 S i 0。 基質(zhì) 中 的 G e納米 晶 。 從 圖 3可 以看出 ， 納米

22、 晶幾 乎都是 球 形 的 ， 而且 在基 質(zhì) 中分 布 得很 均 勻 ， 這一 觀 察結(jié) 果 與F u j i i l 】和 Ma e d a _ 】的相似 。圖 38 0 0 。 C退火 3 0 0 s 樣 品的 T E M 圖像 圖 41 0 0 0 。 C退火 3 0 0 s 樣品 的透 射電子 顯微圖像 圖 4 是 1 0 0 0 。 C退 火 3 0 0 s 樣 品的透 射 電子 顯微 圖像 ， 它表 明在 S i O和 S

23、 i 界面附 近的 G e 納米 晶直徑為 2 O ～2 8 r i m。 1 個相 近 的實 驗 表 明納 米 晶 在 界 面 處 有 孿 晶 結(jié) 構(gòu) ， 這 與 O k u l _ 】和F u k u d aE 17 ~ “ 報 道的在 S i O基 質(zhì) 中 G e的彌散與 G e的成核取決 于退 火 溫 度 這 一 觀 點 相 似 ， 他 們 認(rèn) 為 在 低 于 G e的 熔 化 溫 度( 9 3 8 ． 3 0 。 C ) 8

24、0 0 。 C退 火時 ， 只發(fā)生 成核 現(xiàn)象 。當(dāng) 在 1 0 0 0 。 C退 火時 ， G e 彌散 在 S i 0和 S i 的 界面處 ， 并 在此 沉積 ， 這 與 我們在 圖3和圖 4中的觀察結(jié)果 吻合 。3結(jié)論 采 用射頻 磁控 濺射 技 術(shù)制 備 了 G eS i 0薄膜 ， 觀 測 了在不 同退 火溫度 和退 火時 間下 G e — S i 0復(fù) 合膜 的拉 曼 散射譜 、 光致 發(fā)光譜 和 T E M 圖像 。 在

25、 G e 納 米 晶均 勻分 布的樣品 中可 以觀察 到 明顯 的拉 曼 峰 ； 在 室 溫 下 觀察 到 很 強 的 紫 光 P L 以及 黃 光 P L ； 紫 光強 度隨 退火 溫度 的 變化 規(guī) 律與 G e 0 含 量 隨退 火 溫度 的變化規(guī)律 是相似 的 ， 可以認(rèn) 為紫光 來 自于 G e 0 缺 陷中心 。黃 光 P L的出現(xiàn) 是和 G e 納米晶粒 的出現(xiàn)相聯(lián) 系 的 ， 雖 然其強 度隨 退火 溫度 ( 晶粒尺 寸

26、) 不斷增強 ， 但峰 位不發(fā)生 移動 ， 其來 源可能 是 G e 納米 晶粒與 S i 0基質(zhì)界 面處 的發(fā)光 中心 。所有 的結(jié)果表 明： 為 了在 S i O 。 基質(zhì) 里獲得 均 勻 的晶粒 尺 寸 ， 需 要 嚴(yán)格 精確 的 退火 參數(shù) ， 這可 以通 過調(diào)節(jié) 退火溫度 和退火 時間來實 現(xiàn) 。參考文獻 1Ca n h a m LT． Ap p lPh y sLe t t ，19 9 O， 5 7 ： 1 0 4 62M

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