磁控溅射法制备硅纳米晶体及其光电特性研究

王威 丁澜 马锡英

苏州科技学院数理学院物理科学与技术系，苏州 215011

磁控溅射法制备硅纳米晶体及其光电特性研究

王威 丁澜 马锡英

苏州科技学院数理学院物理科学与技术系，苏州 215011

本文介绍了以高纯硅为靶材，利用直流磁控溅射法在P型硅（111）衬底上生长硅纳米晶体薄膜,并在600摄氏度温度下退火处理。应用扫描电镜观察发现制备的硅纳米晶体粒度均匀，薄膜粗糙度小。X射线衍射仪分析发现硅纳米晶体具有（201）晶面取向生长的特点。与块体材料相比，硅纳米晶体不仅具有良好的电学性能，还具有良好的光学性能，其吸收谱包含本征、激子和自由载流子等丰富的吸收峰。

硅纳米晶体；磁控溅射；扫描电镜；红外光谱；X射线衍射

引言

硅是微电子器件和集成电路芯片中应用最广泛的半导体材料，由于属间接带隙半导体材料，发光效率低，光电子器件方面未能发挥应有的作用。硅纳米晶体由于体积小而具有量子限阈效应、库仑阻塞效应等，使其具有与体材料完全不同的光、电学特性，可用于制备各种纳米光电子器件。另外，硅纳米材料容易与现有的硅微电子工业兼容，从而引起了人们极大的研究兴趣。如研究人员利用硅纳米晶体、纳米线制备了高速的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及辅助合成其他纳米材料的模板等。

近年来，人们对硅纳米材料的生长方法、生长机理及其性能进行了一系列研究，发现了多种形貌的硅纳米结构，最常见的是纳米晶体，其一般在几十到数百纳米。硅纳米晶体生长方法很多，如激光烧蚀法、热蒸发法、化学气象沉积法(PCVD)，磁控溅射法等。本文采用磁控溅射法，通过改变实验条件，生长了硅纳米晶体，应用扫描电镜观察了样品表面形貌，应用中红外光谱仪分析了样品红外光吸收特性，应用X射线衍射仪分析了样品的结构特性,并对纳米晶体的生长机理做了讨论。

图1 磁控溅射法制备硅纳米晶体的主要流程图

1.实验

本实验采用CKJ500D型多靶磁控溅射系统制备硅纳米晶体。该磁控溅射系统由高真空系统、气体质量流量系统、多靶磁控系统和电源系统。应用高纯硅（99.999%）靶作为溅射，装到位于真空室的靶位。P型硅片作为衬底，实验前分别用酒精、丙酮、去离子水超声波清洗，氮气吹干，放入真空室的衬底支撑台。关闭真空系统阀门，先用机械泵抽真空，待气压降至10Pa以下时打开分子泵。使真空达到10Pa时通入氩气开始实验。沉积时气压维持在5帕左右，打开电源，预热5到10分钟后开始镀膜。镀膜生长的流程如图1所示。生长17分钟后，在500摄氏度原位退火30分钟。依次关射频、气路、抽气泵、关电源。等真空室冷却到室温，取出样品。应用Philips PW3040/60型X-射线粉末衍射仪分析了样品的结构；Nicolet NEXUS670 中红外光谱仪分析了样品的红外光吸收特性；Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜对薄膜的表面的形貌进行了分析，最后，应用I-V、 C-V测试仪分析了样品的电学特性。

2.结果与讨论

图2为在1.9Pa充Ar气条件下生长出的硅纳米晶体扫描电镜图。显然，硅纳米晶体在衬底上基本呈均匀分布，呈不规则的颗粒状，粒度也比较均匀，大约500nm左右。纳米晶体基本呈单分散分布，没有出现了纳米晶体团簇的现象。

图2 Ar气条件下生长出的硅纳米晶体扫描电镜成像图

薄膜的生长过程大致划分为两个阶段,即形核阶段与薄膜生长阶段。靶材经轰击后,射向衬底的粒子与衬底表面相碰撞,其中一部分被反射,另一部分在表面上停留。这些停留的原子或分子在自身能量的作用下,发生表面扩散及表面迁移,形成均匀细小、可以运动的原子团,称之为岛,这便是形核阶段。在薄膜生长阶段,依据岛状生长模式,预先形成的比临界晶核尺寸小的岛不断接受新原子,逐渐长大,岛的数目很快达到饱和。小岛又相互合并而长大,而空出的衬底表面又形成新的岛。岛的形成与合并的过程不断进行,直到孤立的岛之间连接成片,最后留下一些孤立的孔洞,并逐渐被后沉积的原子填充,形成连续的膜层。

如图3所示，给出了900℃退火后的X射线衍射（XRD）图。可以看出：在33°处出现一个极强的衍射峰，该衍射峰对应硅材料的（210）晶面。另外，在 47°和56°处还有两个极小的峰值。因为我们应用Si（100）晶面的衬底，XRD采用掠角衍射方法，因此，可以完全排除33°的极强峰来自于硅衬底。从其衍射强度上可以推断，我们生长的硅纳米晶体主要以（210）晶面生长为主。

图3 500℃退火后的X射线衍射（XRD）图

图4为样品分别在500 度退火后的红外吸收光谱。我们发现原位生长的和退火的样品的XRD和吸收谱基本相同，所以这里只给出退火后的吸收谱。该吸收谱含有5个明显的吸收峰，分别为于604、748、1096、2345.1 与3876 nm. 通过分析，我们认为位于604和748 nm 短波长处的2个吸收峰比较尖锐，是纳米晶体中的激子吸收峰。而1096处的吸收峰则使纳米硅的价带与导带间的本吸收。由于纳米晶体具有量子限阈效应，其带隙比体材料的带隙较宽，所以吸收峰向短波长方向发生了少量的移动。而2345.1nm和3870nm处的吸收则可以归于纳米晶体中自有载流子的吸收和杂质吸。从吸收谱可以看出，与Si的体材料的吸收谱相比，纳米晶体的吸收峰很丰富，其光学性质发生了显著改变。

图4 样品分别在500度退火后的红外吸收光谱

图5为原位生长和500退火后样品的I-V曲线。可以看出，退火后电流随电压增大的曲线的斜率也增大。即相同电压下电流强度增大，薄膜的导电性增强，电阻率逐渐减小。说明由于退火后样品的I-V特性更好。

图5 薄膜电流-电压图

4、结论

以单晶高纯硅为靶材，利用直流磁控溅射方法在硅衬底上生长了硅纳米晶体，并700℃温度下对样品进行退火。发现利用磁控溅射法制备的硅纳米晶体粒度均匀，无团聚现象。另外，硅纳米晶体具有在（201）晶面取向生长的趋势，使硅纳米薄膜平整、均匀、粗糙度小的优点。硅纳米晶体具有很强的本征吸收和很强的激子和自由载流子吸收的特点，还具有良好的电学性能，可应用制备良好性能的硅纳米光电子器件。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.011

国家自然基金项目（No.60976071）