纳米硅镶嵌结构与磁控溅射SiC膜的制备与荧光特性研究

作     者：王强 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李玉国

授予年度：2004年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：多孔硅 纳米硅 硅基发光 蓝紫光发射 纳米硅镶嵌结构 

摘      要：硅基发光一直是硅基材料和器件研究的重要课题。自从1990年Canham首次发现电化学阳极氧化多孔硅的强室温光致荧光现象以来，各类硅基材料的制备与发光特性研究始终为广大材料物理学家所关注。由于硅集成电路技术的成熟，人们一直想实现硅基光电集成，从而为现代光通讯技术和光电子计算技术提供一条新的发展途径。研制能有效发光的纳米硅材料与器件将是解决硅基光电集成问题的重要手段。要实现光电集成，就必须有高效的发射和接收光信号的光电子器件。众所周知，硅是间接禁带半导体，不能有效发光;而硅材料又是现代电子工业的基础材料，因此寻找硅基发光的有效途径是目前急需解决的问题。半导体全色显示器件也是目前研究的热点，它对促进显示器件的小型化和集成化有重要的意义。 第三代宽禁带半导体在蓝光发射方面有独特的优势，因此人们竞相研究GaN、SiC等宽禁带半导体的蓝光发射材料，但难以解决以上材料与硅基的兼容性问题。近几年来，硅基SiC蓝光发射材料的研制获得巨大进展，并越来越受到人们的重视，可以预想硅基SiC蓝光发射材料亦将成为硅基发光材料研究的焦点。 关于硅基发光的机制，人们曾提出很多模型，如量子(尺寸)限制效应模型、表面复合模型以及秦国刚等人提出的量子限制效应—表面复合模型等。就目前而言，没有一种理论能够解释所有的硅基发光现象。本文认为碳注入样品的蓝紫光发射源于实验过程中所形成的纳 摘要 米硅镶嵌结构，这可以归于量子限制效应一表面复合模型。多孔碳化 硅膜所发射的紫外光则是由于多孔化过程所形成蜂窝状结构的量子 限制效应所致。 在本论文中，我们首先在外延硅和单晶硅两种不同的衬底上，进行 不同剂量的碳离子注入，形成碳注入隐埋层，经退火和电化学处理，获 得能够发出较强蓝紫光的硅基材料。经过氢气退火的样品发出43Onm 左右的蓝光，经过氮气退火处理的样品则发出位于400nm的紫光。 我们采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM) 研究了样品的结构、成分以及表面形貌，探索了各种试验因素对发光 特性的影响，讨论了相应的发光机制。我们还制备了多孔磁控溅射 SIC膜，讨论了其紫外发光特性，并对发光机理进行了初步探讨。 本文第一章概括阐述了当前硅基发光材料研究的现状，概括了人 们对硅基发光材料所提出的各种发光机理，并分析了选取该研究课题 的原因。由于光电集成技术的发展，硅基发光材料的研究前景十分广 阔，其应用必将引起硅集成技术的新的飞跃。 第二章介绍了实验设备、仪器、试验流程及对所制‘备样品所采用 的相关表征手段。我们采用低能离子注入机，将C十离子注入硅中， 注入能量分别为40keV、50 keV和1 .SMeV，注入剂量为lx 10’“ionszemZ、2 x 10’6 ionszemZ和2 x 10‘5 ions/emZ。高温退火过程采 用了氮气和氢气两种不同气氛，退火温度分别控制在800℃、850℃、 900℃、950oC、10000C、1050oC和1100℃，退火时间为0.5小时。电 化学处理过程采用自制的电化学腐蚀系统来完成，电流密度控制在 4omAzemZ，腐蚀时间分别为smin、lomin、一smin及Zomin;磁控溅射 Sic膜多孔化过程也由该设备完成，电流密度为6OmA/c mZ，时间为 Zomin。发光特性分析由Edingburge:FLs92O荧光谱仪完成，并己进 行校正。我们还采用了FTIR、XRD、SEM等手段，分析了样品的成 分、结晶状况及表面形貌。 第三章重点阐述了碳注入样品的荧光特性，讨论了基片类型、注 摘要 入剂量、注入能量、退火温度、退火气氛以及电化学腐蚀条件等因素 对蓝紫光发射特性的影响，详细地分析了样品的发光机理。 氢气退火条件下，样品的光致发光谱出现位于43Onm的蓝光发 射。随着退火温度从800℃升至1 1 00℃，发光强度不断增强，1050 ℃时发光最强，1100OC时强度下降。电化学腐蚀条件对发光特性有明 显的影响:电流密度控制在4omA/cmZ，随着腐蚀时间从omin经smin、 10min、15min升至ZOmin，发光强度先增后减，最后430nm的蓝光 峰湮灭，并出现位于大约716nm附近的红光峰。 氮气退火条件下，样品的光致发光谱出现位于400nm的紫光发 射，随着退火温度从800℃升至1 100℃，发光强度亦呈现先增后减的 变化规律，大约在1000℃附近出现最大发光强度。电化学腐蚀条件 对发光特性的影响呈先增后减，最后40Onm的紫光峰湮灭，并出现 位于大约6O0nm附近的红光峰。 在低能量(40一50KeV)注入时，注入剂量对发光特性的影响并 不明显。但选用单晶硅基片，进行高能量注入可以明显提高发光强度。 在氢气氛退火时，部分样品出现分别位于34Onm和43Onm附近 的强窄发光峰(FWHW小于1