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21世纪,科学技术正以其迅猛的发展改变着人们的生活,但随之而来的能源短缺、环境污染及全球变暖等却成为人类生存所面临的首要问题。新型清洁能源的使用成为人类应对危机的必然选择,其中以硅基太阳能电池的发展最为迅速。高质量硅材料可应用于太阳能电池基体材料,其氧化物及氮化物如SiO2和SiNx薄膜具有优良的钝化和减反效果,也是太阳能电池组件不可缺少的部分。同时,SiO2和SiNx等硅基薄膜材料在信息技术领域己得到了广泛应用,如集成电路电容器、电阻器、电感器及存储器等。成本控制与转化率的提高是制约太阳能电池发展的瓶颈,而更高的运行效率就成为光电子及微电子领域所追求的目标。目前,新型半导体材料还处于研究初期,大量基础物理特性和机制还未形成统一的认识,因此还需对其做进一步研究。
本论文主要包括以下两个方面工作:
1、利用Kronig-Penney模型从理论上计算了Si/SiO2、Si/SiNx/SiO2及Si/SiNx/SiO2/SiNx多层膜结构中量子阱的能带结构,进一步分析了各亚层薄膜厚度对能带结构和有效质量的影响。计算结果表明,适当减少亚层的厚度能使纳米Si薄膜的带隙发生明显宽化。在Si/SiO2超晶格中,Si量子阱层带隙能量随着Si层厚度的变化符合EPL(eV)=1.6+0.7/d2关系,我们的计算结果与之十分吻合。在Si/SiNx/SiO2与Si/SiNx/SiO2/SiNx超晶格系统中,我们的计算表明,可以通过控制各亚层厚度,尤其是Si和SiNx层厚度,有效地控制发光。
2、采用LPCVD方法在Si(100)衬底上沉积厚度在630mm的SiO2薄膜,并在N2保护450~1000℃下分别退火20分钟,对SiO2薄膜在高温退火条件下的发光特性进行了研究。利用室温光致发光光谱(PL)、红外光谱(IR)、拉曼光谱及X射线光电子能谱(XPS)对SiO2薄膜的性质进行表征。光致发光谱(PL)中出两个分别位于380nm和720nm处的发光峰,随着退火温度在450~750℃范围内升高,PL谱线发光强度明显增加,并且380nm处的发光峰峰位发生蓝移。随着退火温度从750℃上升到1000℃,各发光峰强度均表现出减弱的趋势。综合红外光谱、拉曼光谱及X射线光电子能谱分析,认为SiO2薄膜发光源自于Si/SiO2界面缺陷。