磁控濺射法制備硅納米晶體及其光電特性研究

王威 丁瀾 馬錫英

蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系，蘇州 215011

磁控濺射法制備硅納米晶體及其光電特性研究

王威 丁瀾 馬錫英

蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系，蘇州 215011

本文介紹了以高純硅為靶材，利用直流磁控濺射法在P型硅（111）襯底上生長硅納米晶體薄膜,并在600攝氏度溫度下退火處理。應(yīng)用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)制備的硅納米晶體粒度均勻，薄膜粗糙度小。X射線衍射儀分析發(fā)現(xiàn)硅納米晶體具有（201）晶面取向生長的特點。與塊體材料相比，硅納米晶體不僅具有良好的電學(xué)性能，還具有良好的光學(xué)性能，其吸收譜包含本征、激子和自由載流子等豐富的吸收峰。

硅納米晶體；磁控濺射；掃描電鏡；紅外光譜；X射線衍射

引言

硅是微電子器件和集成電路芯片中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，由于屬間接帶隙半導(dǎo)體材料，發(fā)光效率低，光電子器件方面未能發(fā)揮應(yīng)有的作用。硅納米晶體由于體積小而具有量子限閾效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)等，使其具有與體材料完全不同的光、電學(xué)特性，可用于制備各種納米光電子器件。另外，硅納米材料容易與現(xiàn)有的硅微電子工業(yè)兼容，從而引起了人們極大的研究興趣。如研究人員利用硅納米晶體、納米線制備了高速的邏輯門和計數(shù)器、場發(fā)射器件等納米電子器件、納米傳感器及輔助合成其他納米材料的模板等。

近年來，人們對硅納米材料的生長方法、生長機(jī)理及其性能進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)了多種形貌的硅納米結(jié)構(gòu)，最常見的是納米晶體，其一般在幾十到數(shù)百納米。硅納米晶體生長方法很多，如激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法、化學(xué)氣象沉積法(PCVD)，磁控濺射法等。本文采用磁控濺射法，通過改變實驗條件，生長了硅納米晶體，應(yīng)用掃描電鏡觀察了樣品表面形貌，應(yīng)用中紅外光譜儀分析了樣品紅外光吸收特性，應(yīng)用X射線衍射儀分析了樣品的結(jié)構(gòu)特性,并對納米晶體的生長機(jī)理做了討論。

圖1 磁控濺射法制備硅納米晶體的主要流程圖

1.實驗

本實驗采用CKJ500D型多靶磁控濺射系統(tǒng)制備硅納米晶體。該磁控濺射系統(tǒng)由高真空系統(tǒng)、氣體質(zhì)量流量系統(tǒng)、多靶磁控系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。應(yīng)用高純硅（99.999%）靶作為濺射，裝到位于真空室的靶位。P型硅片作為襯底，實驗前分別用酒精、丙酮、去離子水超聲波清洗，氮氣吹干，放入真空室的襯底支撐臺。關(guān)閉真空系統(tǒng)閥門，先用機(jī)械泵抽真空，待氣壓降至10Pa以下時打開分子泵。使真空達(dá)到10Pa時通入氬氣開始實驗。沉積時氣壓維持在5帕左右，打開電源，預(yù)熱5到10分鐘后開始鍍膜。鍍膜生長的流程如圖1所示。生長17分鐘后，在500攝氏度原位退火30分鐘。依次關(guān)射頻、氣路、抽氣泵、關(guān)電源。等真空室冷卻到室溫，取出樣品。應(yīng)用Philips PW3040/60型X-射線粉末衍射儀分析了樣品的結(jié)構(gòu)；Nicolet NEXUS670 中紅外光譜儀分析了樣品的紅外光吸收特性；Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對薄膜的表面的形貌進(jìn)行了分析，最后，應(yīng)用I-V、 C-V測試儀分析了樣品的電學(xué)特性。

2.結(jié)果與討論

圖2為在1.9Pa充Ar氣條件下生長出的硅納米晶體掃描電鏡圖。顯然，硅納米晶體在襯底上基本呈均勻分布，呈不規(guī)則的顆粒狀，粒度也比較均勻，大約500nm左右。納米晶體基本呈單分散分布，沒有出現(xiàn)了納米晶體團(tuán)簇的現(xiàn)象。

圖2 Ar氣條件下生長出的硅納米晶體掃描電鏡成像圖

薄膜的生長過程大致劃分為兩個階段,即形核階段與薄膜生長階段。靶材經(jīng)轟擊后,射向襯底的粒子與襯底表面相碰撞,其中一部分被反射,另一部分在表面上停留。這些停留的原子或分子在自身能量的作用下,發(fā)生表面擴(kuò)散及表面遷移,形成均勻細(xì)小、可以運(yùn)動的原子團(tuán),稱之為島,這便是形核階段。在薄膜生長階段,依據(jù)島狀生長模式,預(yù)先形成的比臨界晶核尺寸小的島不斷接受新原子,逐漸長大,島的數(shù)目很快達(dá)到飽和。小島又相互合并而長大,而空出的襯底表面又形成新的島。島的形成與合并的過程不斷進(jìn)行,直到孤立的島之間連接成片,最后留下一些孤立的孔洞,并逐漸被后沉積的原子填充,形成連續(xù)的膜層。

如圖3所示，給出了900℃退火后的X射線衍射（XRD）圖?？梢钥闯觯涸?3°處出現(xiàn)一個極強(qiáng)的衍射峰，該衍射峰對應(yīng)硅材料的（210）晶面。另外，在 47°和56°處還有兩個極小的峰值。因為我們應(yīng)用Si（100）晶面的襯底，XRD采用掠角衍射方法，因此，可以完全排除33°的極強(qiáng)峰來自于硅襯底。從其衍射強(qiáng)度上可以推斷，我們生長的硅納米晶體主要以（210）晶面生長為主。

圖3 500℃退火后的X射線衍射（XRD）圖

圖4為樣品分別在500 度退火后的紅外吸收光譜。我們發(fā)現(xiàn)原位生長的和退火的樣品的XRD和吸收譜基本相同，所以這里只給出退火后的吸收譜。該吸收譜含有5個明顯的吸收峰，分別為于604、748、1096、2345.1 與3876 nm. 通過分析，我們認(rèn)為位于604和748 nm 短波長處的2個吸收峰比較尖銳，是納米晶體中的激子吸收峰。而1096處的吸收峰則使納米硅的價帶與導(dǎo)帶間的本吸收。由于納米晶體具有量子限閾效應(yīng)，其帶隙比體材料的帶隙較寬，所以吸收峰向短波長方向發(fā)生了少量的移動。而2345.1nm和3870nm處的吸收則可以歸于納米晶體中自有載流子的吸收和雜質(zhì)吸。從吸收譜可以看出，與Si的體材料的吸收譜相比，納米晶體的吸收峰很豐富，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著改變。

圖4 樣品分別在500度退火后的紅外吸收光譜

圖5為原位生長和500退火后樣品的I-V曲線。可以看出，退火后電流隨電壓增大的曲線的斜率也增大。即相同電壓下電流強(qiáng)度增大，薄膜的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率逐漸減小。說明由于退火后樣品的I-V特性更好。

圖5 薄膜電流-電壓圖

4、結(jié)論

以單晶高純硅為靶材，利用直流磁控濺射方法在硅襯底上生長了硅納米晶體，并700℃溫度下對樣品進(jìn)行退火。發(fā)現(xiàn)利用磁控濺射法制備的硅納米晶體粒度均勻，無團(tuán)聚現(xiàn)象。另外，硅納米晶體具有在（201）晶面取向生長的趨勢，使硅納米薄膜平整、均勻、粗糙度小的優(yōu)點。硅納米晶體具有很強(qiáng)的本征吸收和很強(qiáng)的激子和自由載流子吸收的特點，還具有良好的電學(xué)性能，可應(yīng)用制備良好性能的硅納米光電子器件。

[1]劉文蘭.納米光電子器件最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢.傳感器世界 . 200503 72-78[2]馮孫奇,等.一維納米線的生長機(jī)理和量子限制效應(yīng)[J].中國科學(xué).1999，29（10）:921-926

[3]鄭勇剛.納米晶體材料中晶粒生長及變形機(jī)理的研究.大連理工大學(xué).20080701 96-104

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.011

國家自然基金項目（No.60976071）