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SiCN晶体薄膜自1996年左右被发现和确认以来,以其在力学、热学、光学和电子学等方面所具备的优异性质,成为众多科研人员竞相研究的热点。CVD的方法被普遍用来制备SiCN薄膜,但是化学变化及局部结构较难控制,因而对SiCN薄膜结构与发光等各项性能之间关系的研究都未取得良好的效果。本课题组用C+离子注入a-SiNx∶H薄膜得到局部结构重组的SiCxNy薄膜,进一步研究其结构与发光特性。常温下,把能量为30keV,剂量为2×1017cm-2的C+离子,注入由低压化学气相沉积(LPCVD)制备的纳米硅镶嵌的a-SiNx∶H薄膜。然后选择氩气作为保护气,把薄膜分别置于600,800,1000,和1200℃的管式高温炉中,进行2小时的退火处理。本文用AES,Raman,XPS,XRD和低温光致发光光谱等分析手段对薄膜结构、成份及发光特性进行了测量与分析,得到了以下结论:
1.当碳离子注入氮化硅薄膜未退火时,在薄膜浅表层由于C离子大量积聚形成注入层,其中C离子大量以单质的形态存在,原有SiNx结构因碳离子注入而破坏。
2.然而经800℃的高温退火后,薄膜结构发生了较大的变化,注入的C+迅速扩散至薄膜内层,与Si、N等元素发生反应,形成了含有三种元素的复杂网络结构。并且在一定的硅、碳、氮元素配比下,经过合适的温度退火后,有利于非晶SiCxNy生成,生成的SiCxNy薄膜是由Si-N,C=N及N-Si键构成复杂网络结构,它是通过N原子桥接Si原子和C原子形成的三元SiCxNy结构。
3.光致发光光谱不仅说明SiCN在低温下具备良好的发光特性,同时从另一方面证明经800℃高温退火的薄膜,不仅存在SiC和SiNx结构,在薄膜深层形成了SiCxNy的三元结构。
4.XPS、AES的测试结果表明:不仅在碳离子注入区存在SiNx结构,而且在碳离子非注入区,即样品深层处还有大量的氮化硅薄膜,这是退火后样品的光致发光谱的420nm(2.95eV)主峰位与原氮化硅样品一致的原因。