热丝法制备包含硅量子点的富硅氮化硅薄膜及其结构研究

发布时间：2018-03-18 23:32

本文选题：热丝化学气相沉积　切入点：硅量子点　出处：《内蒙古师范大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：基于半导体硅量子点的量子尺寸效应的第三代太阳能电池是目前研究的热点之一。硅量子点的密度与大小对光的吸收和载流子的迁移有很大的影响,所以能制备出尺度合适,密度和均匀性较好的硅量子点纳米薄膜材料是制备第三代硅量子点太阳电池的关键。制备镶嵌在氮化硅母质中的硅量子点薄膜材料,一般常采用磁控溅射法或等离子体增强化学气相沉积法通过退火处理后凝结得到硅量子点,而采用热丝化学气相沉积(HWCVD)技术制备硅量子点薄膜材料的报道很少。对于热丝化学气相沉积硅量子点薄膜材料,由于热丝温度可高达1700℃左右,在化学气相沉积过程中,不但能生成大量Si-N键,而且也直接生成了Si-Si键,也就是说在生成氮化硅的过程中也直接生成了硅量子点,这样就省去了高温退火后的处理工艺过程。基于以上原因,本论文实验采用的是热丝化学气相沉积方法,制备包含硅量子点氮化硅薄膜材料。气源采用的为纯度99.9999%的N_2、Si H_4、NH_3、和H_2组合,在P型单晶硅片与Corning7059玻璃上沉积出三组实验数据。利用傅里叶红外变换光谱、紫外-可见光透射谱、光致发光谱、X射线衍射谱对样品薄膜的结构及特性进行表征。实验结果表明:1.以SiH_4、NH_3与N_2为反应气源,在SiH_4、NH_3气流量保持不变情况下,通过改变N_2流量来制备薄膜样品。实验结果表明:薄膜样品是以Si-N键合结构为主,在富氮样品中H原子主要与N原子结合。随着氮气流量的增多,氮原子具有了掺杂的特性,与Si原子结合的N原子数目减少,N-H键峰值由微弱直至消失,并且由于N原子具有较高的电负性使得Si-N键的非对称伸缩模式发生了蓝移。氮气在反应过程中对薄膜内的氮原子起到了稀释作用。当氮气流量小于60sccm时,其带隙宽度值变化不大,在4.3e V左右与理想计量比的Si3N4带隙接近,随着氮气流量的增加,薄膜的光学带隙Eg逐渐降低,薄膜的有序程度增加,氮化硅晶粒逐渐增大。当氮气流量达到150sccm时,在2θ为69.5°处出现了晶化β-Si3N4的尖锐衍射峰,其择优取向沿(322)晶向,且Si3N4晶粒显著增大。2.以SiH_4、NH_3与H_2为反应气源,在优化其他参数不变的情况下,只改变H_2流量用来制备薄膜样品。实验结果表明:薄膜样品主要以Si-N键合模式为主,随着氢气流量的增加,氢原子密度过量,H原子能充分与N、Si结合,N-H键与Si-H键增多,载流子的复合率降低寿命增强,在薄膜中起到了很好的钝化效果。当氢气流量低于40sccm时,带隙展宽缓慢,当氢气流量从40sccm变化至60sccm时,带隙展宽发生巨变,促使了高能Si-N键增多,折射率降低,薄膜逐渐向Si3N4结构转变。当氢气流量增至150sccm时,在2θ为64.5°处出现了晶化α-Si3N4的尖锐衍射峰,其择优取向沿(311)晶向,薄膜内出现了氮化硅结晶现象,形成量子点所需要的非晶硅纳米团簇。氢气流量对薄膜的钝化效果有较大的影响,氢气流量的增加可以提升N原子融入薄膜的几率,促进氮化硅晶粒的生成与增大。3.以SiH_4、NH_3与H_2为反应气源,在优化其他参数不变的情况下,通过改变热丝温度来制备薄膜样品。结果表明:随着热丝温度的升高,Si-H键与N-H键发生断裂,使得Si-H、N-H键密度随之降低,H原子大量溢出薄膜,大量的Si悬键N悬键得不到钝化,促使Si-N键再次发生重组,薄膜中Si-N键密度升高,薄膜的稳定性与致密性得到了提升。而H原子含量降低,导致H原子的解吸附作用明显下降,缺陷态密度增强,带隙发生展宽,价带与导带向禁带移动趋势增强,薄膜有序性降低,呈现出一定的富硅态。热丝温度的升高,能够使薄膜中硅氮原子充分弛豫,有利于硅氮网络有序,硅原子之间的键合更加紧密,直接生成纳米尺度的硅量子点团簇。这样就无需进一步退火,而直接利用热丝的高温退火效果制备出了纳米尺度的硅量子点薄膜材料。
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【学位授予单位】：内蒙古师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O471.1;O484;TM914.4

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