氮化硅薄膜中纳米非晶硅颗粒的键合结构及光致发光

采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术以N₂/SiH₄/H₂为反应气体制备了镶嵌有纳米非晶硅颗粒的氢化氮化硅薄膜,通过改变N₂流量实现了薄膜从红到蓝绿的可调谐光致发光.傅里叶红外透射和紫外-可见光吸收特性分析表明,所生长薄膜具有较高的氢含量,N₂流量增加使氢的键合结构发生变化,非晶硅颗粒尺寸减小,所对应的薄膜的光学带隙逐渐增加和微观结构有序度减小.可调光致发光(PL)主要来源于纳米硅颗粒的量子限制效应发光,随N₂流量增加,PL的谱线展宽并逐渐增强. 关键词： 傅里叶红外透射谱 光吸收谱 纳米硅粒子镶嵌薄膜 光致发光     

纳米硅结构薄膜光致发光的温度依赖特性

综合考虑纳米硅结构薄膜的特殊性质,如量子限制效应、光学带隙和光跃迁振子强度对纳米硅粒径的依赖特性以及光学带隙和光辐射的温度依赖特性等,给出了一个解析表达式来分析具有一定粒径分布的纳米硅结构薄膜的光致发光(PL)强度分布,其中选取了两种纳米硅的粒径分布,即高斯分布和对数正态分布。结果表明,随着平均粒径和粒径分布偏差的减小,纳米硅薄膜的PL谱峰蓝移。随着环境温度的升高,纳米硅结构薄膜的PL谱峰红移且相对发光强度减弱。纳米硅结构薄膜光辐射拟合的结果与实验数据的比较分析表明,该模型能够很好地解释纳米硅结构薄膜在不同温度下的PL特性。     

镶嵌有纳米硅的SiN_x薄膜光致发光的温度依赖特性研究

采用对靶磁控溅射法在单晶硅衬底上沉积镶嵌有纳米硅的氮化硅薄膜,然后在形成气体FG(10%H2,90%N2)气氛中进行450℃常规热退火50min。通过荧光光谱仪测得的稳态/瞬态光致发光(PL)谱研究了镶嵌有纳米硅的氮化硅(SiNx)薄膜样品光致发光特性。结果表明,样品的发光过程可以归因于纳米硅的量子限制效应发光和与缺陷相关的发光。随着激发光能量的增加,PL谱峰位发生蓝移,表明较小粒度的纳米硅发光比例增加;温度的降低会抑制非辐射复合过程,提高辐射复合几率,因此发光寿命延长,发光强度呈指数增加;随着探测波长的减小,样品的发光寿命则明显缩短,表明纳米硅的量子限制效应发光对温度有很强的依赖性。     

表面键合对硅(111)量子面电子结构的影响

将纳米硅薄膜看成理想的一维限制的量子面结构,通过第一性原理计算研究了不同厚度的硅(111)量子面的能带结构及态密度。随着量子面厚度的变化,在Si—H键钝化较好的量子面结构上,其带隙宽度变化主要遵循量子限制效应规律。当在表面掺杂时,模拟计算表面含Si—N键的硅(111)量子面的结果表明:在一定厚度范围内,带隙宽度主要由量子限制效应决定;超过这个厚度,带隙宽度同时受量子限制效应和表面键合结构的影响。保持量子面厚度不变,表面掺杂浓度越大则带隙变窄效应越明显。同样,模拟计算含Si—Yb键的硅(111)量子面的结果也有同样的效应。几乎所有的模拟计算结果都显示:量子面的能带结构均呈现出准直接带隙特征。     

镶嵌有纳米硅的氮化硅薄膜键合特性分析

采用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWPCVD)技术制备了非化学计量比的氢化氮化硅薄膜,对所沉积样品及氮气环境中920 ℃退火样品的微观结构及键合特性进行了分析。Raman散射结果表明,薄膜中过量硅以非晶纳米粒子形式存在,退火样品呈现纳米晶硅和氮化硅的镶嵌结构。红外吸收和可见光吸收特性比较结果显示,薄膜样品的微观结构依赖于化学计量比以及退火过程,硅含量较低样品因高的键合氢含量而表现出低的纳米硅表面缺陷态密度;退火过程将引起Si—H和N—H键合密度的减少,因晶态纳米颗粒的形成,退火样品表现出更高的结构无序度。     

氢化硅薄膜光吸收近似特性研究

利用等离子体化学气相沉积系统在直流电压源和射频源的双重激励下,以康宁7059玻璃为衬底制备了氢化硅薄膜．过测定氢化硅薄膜Raman光谱,对薄膜微结构进行了表征;建立氢化硅薄膜的光吸收模型,计算出薄膜的光吸收系数和光学带隙,和实验结果基本一致,说明该模型符合实验结果;并利用该模型计算的光吸收系数和光学带隙,结合AMPS软件对设计的太阳电池结构进行了模拟,给出的I-V特性曲线变化趋势与实验结果基本符合,同时对实验结果与模拟结果存在差异的原因进行了分析,并给出合理解释． 关键词： 氢化硅薄膜 光吸收系数 光吸收模型     

基于量子尺寸效应的纳米内包层光纤放大性研究

本文利用改进的化学汽相沉积法制作出纳米级InP薄膜内包层光纤;根据氢原子本征能量模型计算了InP微粒产生量子尺寸效应的相对粒径aB=8.313nm,且由量子尺寸效应计算了不同尺寸粒子的带隙能量以及相对应的光吸收波长;结果表明：当内包层薄膜材料厚度达5－50nm量级时,其能级将发生红移,产生放大性能.     

基于量子尺寸效应的InP纳米内包层光纤研制及放大性

利用改进的化学气相沉积法制作出纳米级InP薄膜内包层光纤;根据氢原子本征能量模型计算了InP微粒产生量子尺寸效应的相对粒径a_B=8313 nm,且由量子尺寸效应计算了不同尺寸粒子的带隙能量以及相对应的光吸收波长;由测试工作系统测试,在906—1044 nm,1080—1491 nm,1524—1596 nm 波段上均有增益;结果表明：当内包层薄膜材料厚度达5—50nm量级时,其能级将发生红移,产生放大性能. 关键词： 纳米包层光纤 量子尺寸效应 光放大     

纳米硅薄膜光吸收谱的研究

用恒定光电导法测量了纳米硅(其晶粒尺寸为3-5nm,晶态成分比X_c为45％—50％)薄膜在0.9—2.5eV范围的光吸收谱。分析了在不同光子能量范围可能存在的对光电导作主要贡献的几种光跃迁过程,以及随着X_c的增加,材料由非晶、微晶转变为纳米硅薄膜时光吸收谱的变化。发现纳米硅晶粒之间的界面区(平均厚度约为1nm)中载流子的跃迁及传输过程对整个范围的光吸收谱起主导作用。联系纳米硅的这种特殊结构解释了有关实验结果。 关键词：     

量子点浮置栅量子线沟道三栅结构单电子场效应管存储特性的数值模拟

通过建立二维薛定谔方程和泊松方程数值模型,对基于硅量子点浮置栅和硅量子线沟道三栅结构单电子场效应管(FET)存储特性进行了研究.通过在不同尺寸、栅压和不同写入电荷条件下,对硅量子线沟道中电子浓度的二维有限元自洽数值求解,研究了在纳米尺度下硅量子线沟道中量子限制效应和电荷分布对于器件特性的影响.模拟结果发现,沟道的导通阈值电压随着尺寸的缩小而提高,并随浮置栅内存储的电子数目的增加而明显升高.然而,这样的增加趋势在受到纳米尺度沟道中高电荷密度的影响下将出现非线性饱和趋势.进一步研究发现,当沟道尺寸较小时,沟道 关键词： 三栅单电子FET存储器 量子效应 薛定谔方程 泊松方程     

Dependence of Optical Absorption in Silicon Nanostructures on Size of Silicon Nanoparticles

The amorphous silicon nanoparticles (Si NPs) embedded in silicon nitride (SiN_x) films prepared by helicon wave plasma-enhanced chemical vapor deposition (HWP-CVD) technique are studied. From Raman scattering investigation, we determine that the deposited film has the structure of silicon nanocrystals embedded in silicon nitride (nc-Si/SiNx) thin film at a certain hydrogen dilution amount. The analysis of optical absorption spectra implies that the Si NPs is affected by quantum size effects and has the nature of an indirect-band-gap semiconductor. Further, considering the effects of the mean Si NP size and their dispersion on oscillator strength, and quantum-confinement, we obtain an analytical expression for the spectral absorbance of ensemble samples. Gaussian as well as lognormal size-distributions of the Si NPs are considered for optical absorption coefficient calculations. The influence of the particlesize-distribution on the optical absorption spectra was systematically studied. We present the fitting of the optical absorption experimental data with our model and discuss the results.     

Excitonic photoluminescence characteristics of amorphous silicon nanoparticles embedded in silicon nitride film

We have investigated the photoluminescence (PL) properties of amorphous silicon nanoparticles (a-Si NPs) embedded in silicon nitride film (Si-in-SiN_x) grown by helicon wave plasma-enhanced chemical vapor deposition (HWP-CVD) technique. The PL spectrum of the film exhibits a broad band constituted of two Gaussian components. From photoluminescence excitation (PLE) measurements, it is elucidated that the two PL bands are associated with the a-Si NPs and the silicon nitride matrix surrounding a-Si NPs, respectively. The existence of Stokes shift between PL and absorption edge indicates that radiative recombination of carriers occurs in the states at the surface of the Si NPs, whereas their generation takes place in the a-Si NPs cores and the silicon nitride matrix, respectively. The visible PL of the film originates from the radiative recombination of excitons trapped in the surface states. At decreasing excitation energy (E_ex), the PL peak energy was found to be redshifted, accompanied by a narrowing of the bandwidth. These results are explained by surface exciton recombination model taking into account there existing a size distribution of a-Si NPs in the silicon nitride matrix.     

Quantum confinement in amorphous silicon quantum dots embedded in silicon nitride

Amorphous silicon quantum dots (a-Si QDs) were grown in a silicon nitride film by plasma enhanced chemical vapor deposition. Transmission electron micrographs clearly demonstrated that a-Si QDs were formed in the silicon nitride. Photoluminescence and optical absorption energy measurement of a-Si QDs with various sizes revealed that tuning of the photoluminescence emission from 2.0 to 2.76 eV is possible by controlling the size of the a-Si QD. Analysis also showed that the photoluminescence peak energy E was related to the size of the a-Si QD, a (nm) by E(eV) = 1.56+2.40/a(2), which is a clear evidence for the quantum confinement effect in a-Si QDs.     

射频等离子体增强化学气相沉积SiNx薄膜的研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,以N2和SiH4作为反应气体,在P型硅基片上进行SiNx薄膜的沉积.使用椭偏仪对薄膜厚度和光学常量进行了测量, 用傅里叶变换红外光谱仪对SiNx薄膜的化学键合结构进行了分析.研究了基片温度、射频功率以及N2和SiH4的气体流量比率等实验工艺参量对薄膜沉积速率和光学常量的影响.结果表明,射频等离子体增强化学气相沉积技术沉积的SiNx薄膜是低含氢量的SiNx薄膜,折射率在1.65~2.15之间,消光系数k在0.2~0.007之间,当SiNx薄膜为富氮时k≤0.01,最高沉积速率高达6.0 nm/min,N2和SiH4气体流量比率等于10是富硅和富氮SiNx薄膜的分界点.     

富硅氮化硅薄膜的制备及其光学带隙研究

采用双极脉冲磁控反应溅射法在不同参数条件下制备了一系列氮化硅薄膜。利用数字式显微镜和紫外-可见光光谱仪研究了沉积薄膜的表面形貌及其光学带隙,利用共焦显微拉曼光谱仪比较了硅衬底、氮化硅薄膜退火前后的拉曼光谱。结果表明,氮气流量对薄膜的光学带隙影响较大,制备的薄膜主要为富硅氮化硅薄膜。原沉积薄膜的拉曼光谱存在明显的非晶硅和单晶硅峰,退火处理后非晶硅峰减弱或消失,表明薄膜出现明显的结晶化;单晶硅峰出现频移现象,表明薄膜中出现硅纳米颗粒,平均尺寸约为6.6 nm。     

a-Si:H/a-SiNx:H超晶格薄膜光致发光性质的研究

本文报道了a-Si:H/a-SiNx:H超晶格薄膜光致发光某些性质的研究。实验发现,这种超晶格薄膜光致发光的强度和峰值能量随交替层a-Si:H厚度,测量温度及光照时间等而变化。同时还发现,在阴、阳两极上,利用GD法沉积的样品,发光强度和峰值能量也有所不同。文中对这些实验结果作了初步解释。     

Efficient light emission from crystalline and amorphous silicon nanostructures

Optical and electronic properties of crystalline silicon (c-Si) and amorphous silicon (a-Si) nanostructures are reviewed. The photoluminescence (PL) peak energies of c-Si and a-Si nanostructures are blueshifted from those of bulk c-Si and a-Si. The temperature dependence of the PL intensity is drastically improved in c-Si and a-Si nanostructures, and efficient luminescence from c-Si and a-Si nanostructures is observed at room temperature. The quantum confinement, spatial confinement, and surface effects on luminescence properties are summarized and the PL mechanism of silicon nanostructures is discussed.     

氮掺入对N型纳米硅薄膜微观结构及光电特性影响

采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)通过改变NH₃流量制备出不同含氮量N型富硅氮化硅硅薄膜。利用Raman散射、红外吸收、紫外-可见光分光光度计及暗态I-V测量等技术分析了氮掺入对薄膜微观结构以及光电特性的影响。结果显示,随着NH₃的增加,薄膜由微晶硅向纳米硅结构转变,薄膜中晶粒尺寸减少,晶化度降低,微观结构有序性降低,所对应薄膜光学带隙增大,而带尾分布变窄。同时,红外吸收谱分析表明,Si—N键合密度增加,P掺杂受阻。暗态I-V测量显示,薄膜电导率随着NH₃掺入整体较微晶硅降低,但随NH₃增加,电导率受到迁移率和载流子浓度等特征共同作用先降低后变大,揭示了影响薄膜电导率的机制存在一定的竞争,然而过高的非晶网络结构将增大载流子的复合导致薄膜电导率显著降低。     

沉积压力对氢化非晶硅薄膜特性的影响

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)系统,以乙硅烷和氢气为气源,普通钠钙玻璃为衬底制备了氢化非晶硅(a-Si∶H)薄膜,研究了沉积压力对非晶硅薄膜的沉积速率、光学带隙以及结构因子的影响。采用台阶仪、紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜等手段分别表征了a-Si∶H薄膜的沉积速率,光学带隙、结构因子和表面形貌。结果表明： 随着沉积压力的增加,沉积速率呈现先上升后下降的趋势,光学带隙不断下降。当沉积压力小于210 Pa时,以SiH键存在的H原子较多,而以SiH₂或SiH₃等形式存在的H较少; 当沉积压力大于210 Pa时,以SiH₂,(SiH₂)_n或SiH₃等形式存在的H较多。通过结构因子的计算,发现沉积压力在110～210 Pa的范围内沉积的薄膜质量较好。