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

蘇州科技學院數理學院物理科學與技術系，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

蘇州科技學院數理學院物理科學與技術系，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。應用掃描電鏡觀察發現制備的硅納米晶體粒度均勻，薄膜粗糙度小。X射線衍射儀分析發現硅納米晶體具有（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性能，還具有良好的光學性能，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用最廣泛的半導體材料，由于屬間接帶隙半導體材料，發光效率低，光電子器件方面未能發揮應有的作用。硅納米晶體由于體積小而具有量子限閾效應、庫侖阻塞效應等，使其具有與體材料完全不同的光、電學特性，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有的硅微電子工業兼容，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器、場發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、生長機理及其性能進行了一系列研究，發現了多種形貌的硅納米結構，最常見的是納米晶體，其一般在幾十到數百納米。硅納米晶體生長方法很多，如激光燒蝕法、熱蒸發法、化學氣象沉積法(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，應用掃描電鏡觀察了樣品表面形貌，應用中紅外光譜儀分析了樣品紅外光吸收特性，應用X射線衍射儀分析了樣品的結構特性,并對納米晶體的生長機理做了討論。

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制備硅納米晶體。該磁控濺射系統由高真空系統、氣體質量流量系統、多靶磁控系統和電源系統。應用高純硅（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。關閉真空系統閥門，先用機械泵抽真空，待氣壓降至10Pa以下時打開分子泵。使真空達到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。依次關射頻、氣路、抽氣泵、關電源。等真空室冷卻到室溫，取出樣品。應用Philips PW3040/60型X-射線粉末衍射儀分析了樣品的結構；Nicolet NEXUS670 中紅外光譜儀分析了樣品的紅外光吸收特性；Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡對薄膜的表面的形貌進行了分析，最后，應用I-V、 C-V測試儀分析了樣品的電學特性。

2.結果與討論

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，沒有出現了納米晶體團簇的現象。

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,發生表面擴散及表面遷移,形成均勻細小、可以運動的原子團,稱之為島,這便是形核階段。在薄膜生長階段,依據島狀生長模式,預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,島的數目很快達到飽和。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,形成連續的膜層。

如圖3所示，給出了900℃退火后的X射線衍射（XRD）圖。可以看出：在33°處出現一個極強的衍射峰，該衍射峰對應硅材料的（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°的極強峰來自于硅襯底。從其衍射強度上可以推斷，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。我們發現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帶間的本吸收。由于納米晶體具有量子限閾效應，其帶隙比體材料的帶隙較寬，所以吸收峰向短波長方向發生了少量的移動。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，其光學性質發生了顯著改變。

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度增大，薄膜的導電性增強，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℃溫度下對樣品進行退火。發現利用磁控濺射法制備的硅納米晶體粒度均勻，無團聚現象。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、粗糙度小的優點。硅納米晶體具有很強的本征吸收和很強的激子和自由載流子吸收的特點，還具有良好的電學性能，可應用制備良好性能的硅納米光電子器件。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.011

國家自然基金項目（No.60976071）