摘要：本文采用磁控溅射技术，通过改变溅射功(2)
2013-09-02 01:19
导读：给出了沉积在普通玻璃片上的硅薄膜XRD 衍射图，图中可以看出，衍射图谱中并没有出现晶体硅的尖锐衍射峰，而是出现了很宽的非晶特征峰，说明硅薄膜
给出了沉积在普通玻璃片上的硅薄膜XRD 衍射图，图中可以看出，衍射图谱中并没有出现晶体硅的尖锐衍射峰，而是出现了很宽的非晶特征峰，说明硅薄膜主要为非晶态结构，图5 为硅薄膜的高分辨像，从图中可以看出，硅薄膜呈无序网状排列，属于典型的非晶结构，对应区域的电子衍射花样也证明了薄膜为非晶态。通常情况下，溅射功率的提高可以增强反应室中硅原子的能量和可动性，有利于硅薄膜的有序化生长和结晶，但在本实验中，通过改变溅射功率制得的硅薄膜均为非晶态。为了分析非晶硅薄膜中各原子的键合类型和结合情况，对其进行了红外光谱的测试。图6 为不同溅射功率条件下硅薄膜的红外透射谱，从图中可以看出，光谱在660cm-1 处出现了较强的SiH2 的吸收峰，代表SiH2 的摆动模，在2080cm-1 处出现了不太明显的SiH2 吸收峰，代表SiH2 的伸缩模。这说明在硅薄膜中，有一部分H 原子和Si 原子结合成键存在于薄膜中，并主要以SiH2 的形式存在。此外，红外光谱中1100cm-1 处出现了较强的氧化硅吸收峰，说明本文制备的硅薄膜中含有一定量的氧化硅，这可能是由于硅薄膜制备过程中引入了少量O，也有可能是硅薄膜在存放过程中表面被氧化所致。光谱中3100~3600 cm-1 处的宽大吸收峰为H-O 吸收峰。从薄膜的红外光谱可看出，随着溅射功率的提高，SiH2 吸收峰有逐渐增强的趋势，表明薄膜中的氢含量逐渐增大。一般来说，溅射功率增加可以提高反应室中H的能量，H 能量越高，被蚀刻掉的弱Si-Si 键就越多，所以溅射功率越高，薄膜中的氢含量就越高。总体来看，薄膜的SiH2 吸收峰强度并不太大，表明薄膜中含氢量并不太多，所以磁控溅射反应中并没有足够多的H 去饱和薄膜中的悬挂键，使薄膜结晶。为薄膜在不同溅射功率条件下的紫外可见透射谱，从图中可以看出，薄膜透过率曲线较为平滑，说明薄膜的折射率均匀，致密性好。薄膜在200~600nm 段对光的吸收很强，紫外光几乎不能透过薄膜，而在红外波段，薄膜对光的吸收要弱得多。随着溅射功率的提高，薄膜的紫外可见透射光谱逐渐蓝移，这主要和硅薄膜的厚度以及能隙大小有关。半导体硅薄膜具有一定大小的能带间隙，当薄膜受到外界光照时，能量大于硅薄膜能带间隙的光波将被材料吸收，其中与薄膜能隙相匹配的光波则会使光电子从基态跃迁到激发态，或者说从价带转移到导带。通过测试硅薄膜的紫外可见透射光谱，可计算出吸收系数a lnTd= ? ， 其中T 为薄膜透过率， d 为薄膜厚度。然后根据Tauc,做(ahv)1/2—hv 关系图即可由斜率截距得到硅薄膜的光学能隙Eg，其中hv 为入射光子能量，k 为相关系数。
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为不同溅射功率条件下硅薄膜的光学能隙图。从图中可以看到，薄膜能隙高于单晶硅的1.1eV，并随着溅射功率的增加而增大。当溅射功率为2kW 时，薄膜的能隙大小为1.58eV；当溅射功率为3kW 时，薄膜的能隙大小为1.66 eV；当溅射功率为4kW 时，薄膜的能隙大小为1.7 eV；当溅射功率为5kW 时，薄膜的能隙大小为1.72 eV；当溅射功率为6kW时，薄膜的能隙大小为1.74 eV。结合硅薄膜的红外光谱可以发现，随着溅射功率的提高，薄膜中的H 含量逐渐增大，而Si-H 键的键能高于Si-Si 键的键能，所以薄膜中的H 能使价带产生化学位移，使之进入更低的能量状态，使薄膜光学能隙变大。此外，非晶硅的导带和价带并非处于单一能量值，它们具有带尾态的特性，即导带和价带处于一种宽化的能量状态，而H 能中和非晶硅薄膜中的悬挂键，提高薄膜的有序化程度，使其带尾态密度降低，引起薄膜的能隙展宽。因而在本实验中，随着溅射功率的提高，薄膜的光学能隙逐渐增大。
1990 年，Canham[7]发现了多孔硅在室温条件下的光致发光现象，引起了学术界的注意。
目前，氢化硅的发光机制尚未完全弄清，研究者提出了多种模型来解释硅的光致发光现象，主要有量子限制效应（QC）模型、量子限制/发光中心（QCLC）模型、表面态模型、缺陷态模型、与SiO2 有关的发光模型、氢化非晶硅模型等。图9 为硅薄膜在激发波长为280nm条件下的 PL 谱，经过仔细观察可以看出图谱中具有两处发光峰，一个位于380nm 处，另一个位于730nm 处。PL 谱中380nm 处的发光主要源于硅薄膜中的SiO2，O 原子在于Si 原子结合时容易产生较多缺陷，如Si/SiOx 界面、中性氧空位[8]等，而薄膜中的电子-空穴对则容易在SiO2 的发光中心发生辐射复合，即产生光致发光现象，通常情况下，SiO2 具有较好的发光性能，因而PL 谱中380nm 处的发光峰较强。由于本文制备的硅薄膜为非晶态，薄膜中没有小尺寸的纳米晶，所以730nm 处的发光峰可以排除量子限制效应模型、量子限制/发光中心模型的影响，结合硅薄膜的光学能隙，认为此处发光峰由薄膜中的氢化非晶硅部分引起。硅薄膜表面和内部的SiHx 容易造成载流子的辐射复合，其本身具有光致发光带，有文献认为薄膜中SiHx 含量的提高对其发光性能有促进作用[9]，而本文中硅薄膜在730nm 处的发光峰强度和380nm 处的发光峰强度呈正相关性。
