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以Si材料为基础的微电子技术是当今信息化时代的关键支柱,已经达到相当成熟的产业化水平,在信息领域中做出了巨大的贡献。Si基化合物新材料在硅集成光电子和纳米器件如单电子器件、太阳电池以及薄膜晶体管等方面具有广阔的应用前景。然而,Si基化合物材料的发展相对比较缓慢,除SiGe材料外,其他Si基化合物材料的研究并不深入。因此,寻找新的性能优良的Si基化合物材料是进一步加快光电子集成发展的有效途径之一。本文利用超高真空气相沉积系统(UHVCVD)在Si基上制备了系列的Se微纳结构,研究其光电特性。取得以下主要结果:
在超高真空条件下,通过调控衬底的温度,在Si(100)表面制备出三种不同结构的Se薄膜:Ⅰ、控制Si衬底温度小于Se束源炉温度时(Tsub＜Tse),在Si衬底表面利用V-W模式生长,制备出非晶形态的Se薄膜(a-Se);Ⅱ、设定衬底温度高于Se束源炉的温度且小于800℃时(800℃＞Tsub＞Tse),由于自限制作用,在Si(100)衬底表面制得近似单原子层厚的Se超薄层;Ⅲ、控制衬底温度高到800℃,利用Se与衬底表面的Si反应,制备出SiSe化合物薄层。在此基础上我们分别研究了这三种情况下制备的Se薄膜的光电特性。
1.利用XPS测试并计算出第1种情况下制备的a-Se/n-Si异质结的价带带阶,其值为0.31eV,通过测试a-Se/n-Si异质结的I-V和C-V关系,分析了载流子的输运特性。得到a-Se/n-Si异质结的qVD在0.95-1.25 eV之间,a-Se薄膜中的杂质浓度为1.6～2.6×1014 cm-3。
2.通过快速热退火a-Se薄膜在Si衬底上制备出Se纳米结构,经过理论推导,结合XRD数据,我们发现Se纳米结构的[100]晶向的激活能比[101]晶向的要小,致使Se结晶具有各向异性的特点:在低温退火时Se结晶择优(100)晶面,这源于Si(100)衬底对Se的结晶的诱导作用;通过PL测试观测到三个发光峰,分别位于1.4 eV、1.7 eV和1.88 eV,变功率PL测试表明他们分别来自于非晶硒的缺陷发光、非晶Se与纳米Se界面处的DAP复合发光和晶体硒的带带跃迁发光。
3.首次在硒化的Si(100)表面生长出高密度的Si量子点和Ge量子点,量子点的尺寸在20-30 nm,密度达到了1011 cm-3;同时发现量子点的密度不仅与气源的流量有关,而且还与硒化Si表面时的衬底温度有关。
4.在UHVCVD系统中,采用固态源与气态源交替生长的方法,在Si(001)上成功外延出Si10/Se/Si10/Se/Si超晶格,通过XPS和TEM分析其结构特征,发现超晶格局部缺陷是以孪晶形式存在,这与Se双键桥接Si表面的悬挂键有关。
5.利用自限制作用在Si(100)表面生长Se超薄层,研究了四种金属(Ti、Al、Ni、Pt)与Se超薄层钝化的Si表面接触的电学特性及其快速热退火对他的影响。发现Ti与Se化的Si表面的接触性能相对最好,达到了较低的欧姆接触电阻特性,且热稳定性温度相比于未被钝化处理的样品提高了200℃。而对于Al/Se/nSi接触的势垒高度(SBH)值相比于未被钝化处理的样品降到了0.2 eV;具有Se超薄层的金半接触SBH值与金属功函数有一定的依赖关系,得到的线性关系的斜率为S=0.41,表明硒超薄层对费米钉扎效应有一定的缓解作用。
6.首次采用自限制作用在Ge(100)表面生长Se超薄层,用来钝化Ge(100)材料表面,研究其与Ni接触的热稳定性。通过SEM和XRD的测试,表明Se超薄层钝化Ge表面,使得低阻NiGe相推迟到500℃才开始生成,而未被钝化处理的样品在300℃就开始生成NiGe相。同时到700℃表面NiGe才开始发生团聚现象,而未被钝化处理的样品在650℃就开始发生团聚。结果表明Ni和Ge界面处Se超薄层具有阻挡作用。