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包含硅量子点的富硅SiNx 薄膜结构与发光特性

廖武刚 曾祥斌 文国知 曹陈晨 马昆鹏 郑雅娟

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包含硅量子点的富硅SiNx 薄膜结构与发光特性

廖武刚, 曾祥斌, 文国知, 曹陈晨, 马昆鹏, 郑雅娟

Photoluminescences and structrue performances of Si-rich silicon nitride thin films containing Si quantum dots

Liao Wu-Gang, Zeng Xiang-Bin, Wen Guo-Zhi, Cao Chen-Chen, Ma Kun-Peng, Zheng Ya-Juan
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  • 采用等离子体增强化学气相沉积法, 以NH3与SiH4为反应气体, n型单晶硅为衬底, 低温(220 ℃)沉积了富硅氮化硅(SiNx)薄膜. 在N2氛围中, 于500–1100 ℃ 范围内对样品进行了热退火处理. 采用Raman 光谱技术分析了薄膜内硅量子点的结晶情况, 结果表明, 当退火温度低于950 ℃时, 样品的晶化率低于18%, 而当退火温度升为1100 ℃, 晶化率增加至53%, 说明大部分硅量子点都由非晶态转变为晶态. 实验通过Fourier 变换红外吸收(FTIR)光谱检测了样品中各键的键合结构演变, 发现Si–N键和Si–H键随退火温度升高向高波数方向移动, 说明了薄膜内近化学计量比的氮化硅逐渐形成. 实验还通过光致发光(PL)光谱分析了各样品的发光特性, 发现各样品中均有5个发光峰, 讨论了它们的发光来源, 结合Raman光谱与FTIR光谱表明波长位于500–560 nm的绿光来源于硅量子点, 其他峰则来源于薄膜内的缺陷态. 研究了硅量子点的分布和尺寸对发光带移动的影响, 并根据PL峰位计算了硅量子点的尺寸, 其大小为1.6–3 nm, 具有良好的限域效应. 这些结果有助于制备尺寸不同的硅量子点和基于硅量子点光电器件的实现.
    Silicon-rich silicon nitride (SiNx) thin films are deposited at 220 ℃ on n-type monocrystalline silicon substrates by plasma enhanced chemical vapor deposition using NH3 and SiH4 as the reaction gases. The samples are annealed at temperature in a range of 500-1100 ℃ in N2 atmosphere. We analyze the crystalline states of silicon quantum dots (Si-QDs) and calculate the crystalline ratios of samples under different annealing conditions according to the Raman spectra. The crystalline ratio is less than 18% when the annealing temperature is lower than 950 ℃, when the temperature reaches 1100 ℃, the crystalline ratio is increased to 53%, which indicates that most of the Si-QDs have been converted into crystallines. Fourier transform infrared spectra are measured at room temperature to investigate the evolutions of the bonding structures within the SiN_x matrix. We find that the wavelengths of Si-N and Si-H bond shift toward higher wavelength, which manifests the formation of near stoichiometric silicon nitride. Photoluminescence generated from all samples is investigated in detail. We find five luminescence peaks, whose origins are analyzed. We conclude that the obvious green luminescence (centred at 500-550 nm) oringinates from Si-QDs and the others come from different defects in the films. The effects of sizes and distribution of Si-QDs on the shift of the luminescence peak are discussed. We acquire that the sizes of Si-QDs are in a rang from 1.6 nm to 3 nm, which have an obvious confinement effect. These results are useful for fabricating contronllable Si-QDs and achievement of luminescent devices based on Si-QDs.
    • 基金项目: 教育部支撑技术计划(批准号: 62501040202)和深圳市战略性新兴产业发展专项资金(批准号: JCYJ20120831110939098)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Technology Project of Ministry of Education of China (Grant No. 62501040202) and the Special Fund for the Development of Strategic Emerging Industries of Shenzhen, China (Grant No. JCYJ20120831110939098) .
    [1]

    Zhao X, Schoenfeld O, Kusano J, Aoyagi Y, Sugano T 1994 Jpn. J. Appl. Phys. 33 649

    [2]

    Fan J Y, Wu X L, Chu P K 2006 Prog. Mater. Sci. 51 983

    [3]

    Rezgui B, Sibai A, Nychyporuk T, Lemiti M, Bremond G 2009 J. Lumin. 129 1744

    [4]

    Molinari M, Rinnert H, Vergnat M 2007 J. Appl. Phys. 101 123532

    [5]

    Wang M H, Li D S, Yuan Z Z, Yang D R, Que D L 2007 Appl. Phys. Lett. 90 131903

    [6]

    Gourbilleau F, Dufour C, Rezgui B, Brémond G 2009 Mater. Sci. Eng. B 159-160 70

    [7]

    Li X, Wang X W, Li X F, Qiao F, Mei J X, Li W, Xu J, Huang X F, Chen K J 2004 Acta Phys. Sin. 53 4293 (in Chinese) [李鑫, 王晓伟, 李雪飞, 乔峰, 梅嘉欣, 李伟, 徐骏, 黄信凡, 陈坤基 2004 物理学报 53 4293]

    [8]

    Kim T Y, Park N M, Kim K H, Sung G Y, Ok Y W, Seong T Y, Choi C J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5335

    [9]

    Rezgui B, Sibai A, Nychyporuk T, Lemiti M, Brémond G 2009 J. Lumin. 129 1744

    [10]

    Panchal A K, Solanki C S 2009 Thin Solid Films 517 3488

    [11]

    Chung C K, Chen T S, Chang N W, Liao M W, Lee C T 2011 Thin Solid Films 520 1460

    [12]

    Zhao X, Schoenfeld O, Nomura S, Aoyagi Y, Sugano T 1995 Mater. Sci. Eng. B 35 469

    [13]

    Hao H L, Wu L K, Shen W Z 2008 Appl. Phys. Lett. 92 121922

    [14]

    Wang Y Q, Wang Y G, Cao L, Cao Z X 2003 Appl. Phys. Lett. 83 3474

    [15]

    Kim B H, Cho C H, Kim T W, Park N M, Sung G U 2005 Appl. Phys. Lett. 86 091908

    [16]

    Robertson J 1991 Philos. Mag. B 63 47

    [17]

    Hao H L, Wu L K, Shen W Z, Dekkers H F W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 201922

    [18]

    Mercaldo L V, Veneri P D, Esposito E, Massera E, Usatii L, Privato C 2009 Mater. Sci. Eng. B 159-160 77

    [19]

    Park N M, Choi C J, Seong T Y, Park S J 2001 Phys. Rev. Lett. 86 1355

    [20]

    Kim T W, Cho C H, Kim B H, Park S J 2006 Appl. Phys. Lett. 88 123102

  • [1]

    Zhao X, Schoenfeld O, Kusano J, Aoyagi Y, Sugano T 1994 Jpn. J. Appl. Phys. 33 649

    [2]

    Fan J Y, Wu X L, Chu P K 2006 Prog. Mater. Sci. 51 983

    [3]

    Rezgui B, Sibai A, Nychyporuk T, Lemiti M, Bremond G 2009 J. Lumin. 129 1744

    [4]

    Molinari M, Rinnert H, Vergnat M 2007 J. Appl. Phys. 101 123532

    [5]

    Wang M H, Li D S, Yuan Z Z, Yang D R, Que D L 2007 Appl. Phys. Lett. 90 131903

    [6]

    Gourbilleau F, Dufour C, Rezgui B, Brémond G 2009 Mater. Sci. Eng. B 159-160 70

    [7]

    Li X, Wang X W, Li X F, Qiao F, Mei J X, Li W, Xu J, Huang X F, Chen K J 2004 Acta Phys. Sin. 53 4293 (in Chinese) [李鑫, 王晓伟, 李雪飞, 乔峰, 梅嘉欣, 李伟, 徐骏, 黄信凡, 陈坤基 2004 物理学报 53 4293]

    [8]

    Kim T Y, Park N M, Kim K H, Sung G Y, Ok Y W, Seong T Y, Choi C J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5335

    [9]

    Rezgui B, Sibai A, Nychyporuk T, Lemiti M, Brémond G 2009 J. Lumin. 129 1744

    [10]

    Panchal A K, Solanki C S 2009 Thin Solid Films 517 3488

    [11]

    Chung C K, Chen T S, Chang N W, Liao M W, Lee C T 2011 Thin Solid Films 520 1460

    [12]

    Zhao X, Schoenfeld O, Nomura S, Aoyagi Y, Sugano T 1995 Mater. Sci. Eng. B 35 469

    [13]

    Hao H L, Wu L K, Shen W Z 2008 Appl. Phys. Lett. 92 121922

    [14]

    Wang Y Q, Wang Y G, Cao L, Cao Z X 2003 Appl. Phys. Lett. 83 3474

    [15]

    Kim B H, Cho C H, Kim T W, Park N M, Sung G U 2005 Appl. Phys. Lett. 86 091908

    [16]

    Robertson J 1991 Philos. Mag. B 63 47

    [17]

    Hao H L, Wu L K, Shen W Z, Dekkers H F W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 201922

    [18]

    Mercaldo L V, Veneri P D, Esposito E, Massera E, Usatii L, Privato C 2009 Mater. Sci. Eng. B 159-160 77

    [19]

    Park N M, Choi C J, Seong T Y, Park S J 2001 Phys. Rev. Lett. 86 1355

    [20]

    Kim T W, Cho C H, Kim B H, Park S J 2006 Appl. Phys. Lett. 88 123102

  • [1] 陈隆, 陈成克, 李晓, 胡晓君. 氧化对单颗粒层纳米金刚石薄膜硅空位发光和微结构的影响. 物理学报, 2019, 68(16): 168101. doi: 10.7498/aps.68.20190422
    [2] 张超宇, 熊传兵, 汤英文, 黄斌斌, 黄基锋, 王光绪, 刘军林, 江风益. 图形硅衬底GaN基发光二极管薄膜去除衬底及AlN缓冲层后单个图形内微区发光及 应力变化的研究. 物理学报, 2015, 64(18): 187801. doi: 10.7498/aps.64.187801
    [3] 黄斌斌, 熊传兵, 汤英文, 张超宇, 黄基锋, 王光绪, 刘军林, 江风益. 硅衬底氮化镓基LED薄膜转移至柔性黏结层基板后其应力及发光性能变化的研究. 物理学报, 2015, 64(17): 177804. doi: 10.7498/aps.64.177804
    [4] 江强, 毛秀娟, 周细应, 苌文龙, 邵佳佳, 陈明. 外加磁场对磁控溅射制备氮化硅陷光薄膜的影响. 物理学报, 2013, 62(11): 118103. doi: 10.7498/aps.62.118103
    [5] 程赛, 吕惠民, 石振海, 崔静雅. 碳泡沫衬底上氮化铝纳米线的生长及其光致发光特性研究. 物理学报, 2012, 61(12): 126201. doi: 10.7498/aps.61.126201
    [6] 黄伟其, 黄忠梅, 苗信建, 刘世荣, 秦朝建. 硅量子点发光的激活及其物理模型研究. 物理学报, 2012, 61(21): 214205. doi: 10.7498/aps.61.214205
    [7] 邹祥云, 苑进社, 蒋一祥. 氮化硅薄膜中硅纳米颗粒的形成机制研究. 物理学报, 2012, 61(14): 148106. doi: 10.7498/aps.61.148106
    [8] 黄伟其, 吕泉, 王晓允, 张荣涛, 于示强. 不同气体氛围下硅量子点的结构及其发光机理. 物理学报, 2011, 60(1): 017805. doi: 10.7498/aps.60.017805
    [9] 高立, 张建民. 微量Mg掺杂ZnO薄膜的光致发光光谱和带隙变化机理研究. 物理学报, 2010, 59(2): 1263-1267. doi: 10.7498/aps.59.1263
    [10] 吴定才, 胡志刚, 段满益, 徐禄祥, 刘方舒, 董成军, 吴艳南, 纪红萱, 徐明. Co与Cu掺杂ZnO薄膜的制备与光致发光研究. 物理学报, 2009, 58(10): 7261-7266. doi: 10.7498/aps.58.7261
    [11] 郑立仁, 黄柏标, 尉吉勇. 不同气氛下SiOx纳米线的制备及形貌、红外、光致发光研究. 物理学报, 2009, 58(4): 2306-2312. doi: 10.7498/aps.58.2306
    [12] 李素梅, 宋淑梅, 吕英波, 王爱芳, 吴爱玲, 郑卫民. 量子限制受主的光致发光研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4936-4940. doi: 10.7498/aps.58.4936
    [13] 缪竞威, 王培禄, 朱洲森, 袁学东, 王 虎, 杨朝文, 师勉恭, 缪 蕾, 孙威立, 张 静, 廖雪花. 氮团簇离子注入单晶硅的光致发光谱研究. 物理学报, 2008, 57(4): 2174-2178. doi: 10.7498/aps.57.2174
    [14] 于 威, 李亚超, 丁文革, 张江勇, 杨彦斌, 傅广生. 氮化硅薄膜中纳米非晶硅颗粒的键合结构及光致发光. 物理学报, 2008, 57(6): 3661-3665. doi: 10.7498/aps.57.3661
    [15] 王英龙, 卢丽芳, 闫常瑜, 褚立志, 周 阳, 傅广生, 彭英才. 具有窄光致发光谱的纳米Si晶薄膜的激光烧蚀制备. 物理学报, 2005, 54(12): 5738-5742. doi: 10.7498/aps.54.5738
    [16] 黄凯, 王思慧, 施毅, 秦国毅, 张荣, 郑有炓. 内电场对纳米硅光致发光谱的影响. 物理学报, 2004, 53(4): 1236-1242. doi: 10.7498/aps.53.1236
    [17] 徐大印, 刘彦平, 何志巍, 方泽波, 刘雪芹, 王印月. 多孔硅衬底上溅射沉积SiC:Tb薄膜的光致发光行为. 物理学报, 2004, 53(8): 2694-2698. doi: 10.7498/aps.53.2694
    [18] 于 威, 刘丽辉, 侯海虹, 丁学成, 韩 理, 傅广生. 螺旋波等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜. 物理学报, 2003, 52(3): 687-691. doi: 10.7498/aps.52.687
    [19] 张喜田, 肖芝燕, 张伟力, 高 红, 王玉玺, 刘益春, 张吉英, 许 武. 高质量纳米ZnO薄膜的光致发光特性研究. 物理学报, 2003, 52(3): 740-744. doi: 10.7498/aps.52.740
    [20] 马书懿, 秦国刚, 尤力平, 王印月. 含纳米硅和纳米锗的氧化硅薄膜光致发光的比较研究. 物理学报, 2001, 50(8): 1580-1584. doi: 10.7498/aps.50.1580
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-11-15
  • 修回日期:  2013-02-24
  • 刊出日期:  2013-06-05

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