β-FeSi2半導(dǎo)體薄膜的制備及性能的研究.pdf

1、β-FeSi2是一種新型的半導(dǎo)體材料，它在發(fā)光、光電、熱電等方面都具有優(yōu)異的性能，可用于制作薄膜發(fā)光器件、薄膜太陽能電池、熱電器件、磁性半導(dǎo)體器件等。β-FeSi2有很高的光電轉(zhuǎn)化效率，理論上，β-FeSi2的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到16％-23％，其轉(zhuǎn)化效率僅次于晶體硅。另外，β-FeSi2具有0.85 eV的直接帶隙，其發(fā)光波長為1.5μm，發(fā)光對應(yīng)的特征區(qū)域正是硅的全透明區(qū)，也是光纖通信中的最重要波段。β-FeSi2這一特點(diǎn)對于新型光

2、電器件和光纖的結(jié)合具有重要的意義，繼而進(jìn)一步激發(fā)了人們對它的研究興趣。β-FeSi2也是一種環(huán)境半導(dǎo)體材料，它的組成元素資源豐富、無毒、對生態(tài)無破壞。論文首先介紹了β-FeSi2的結(jié)構(gòu)性能、應(yīng)用前景、制備β-FeSi2薄膜常用的方法以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等，進(jìn)而圍繞脈沖激光沉積工藝制備β-FeSi2薄膜展開了一系列的研究工作。
　　(1)用脈沖激光濺射高純度的Fe靶，使濺射出來的粒子與高溫的Si襯底進(jìn)行反應(yīng)，制備出了高質(zhì)量的β-FeS

3、i2薄膜，這是采用脈沖激光沉積技術(shù)制備β-FeSi2薄膜的一種新的嘗試。與傳統(tǒng)的利用脈沖激光直接濺射FeSi2陶瓷靶制備的薄膜相比，采用濺射Fe靶的方法得到的薄膜結(jié)晶質(zhì)量更好，表面更加平整、結(jié)構(gòu)更加均勻一致。更重要的是，薄膜表面沒有發(fā)現(xiàn)微米級的顆粒，而這些顆粒在脈沖激光濺射FeSi2陶瓷靶所制備的薄膜中是很難避免的。
　　(2)研究了采用脈沖激光沉積工藝制備的β-FeSi2薄膜在不同的生長溫度下的生長規(guī)律。實(shí)驗(yàn)證明薄膜的最佳生長溫

4、度在700℃左右。XRD測試結(jié)果表明，薄膜結(jié)晶質(zhì)量、擇優(yōu)取向與薄膜的生長溫度之間有密切的關(guān)系。SEM結(jié)果顯示，生長溫度為700℃-800℃時，薄膜表面比較平整致密。EDX譜表明在生長溫度為500℃時，沉積的Fe不能完全地參加反應(yīng)。在生長溫度為700℃時，薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量和較好的表面形貌。
　　(3)研究了不同的激光能量密度對β-FeSi2薄膜性質(zhì)的影響，并對這種影響的內(nèi)在原因進(jìn)行了分析。XRD的測試表明在激光能量密度為7 J

5、/cm2時薄膜具有最強(qiáng)的衍射強(qiáng)度和最小的FWHM值，表明在這個條件下薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好。另外，我們發(fā)現(xiàn)薄膜的厚度隨激光能量密度的增大而增大。AFM圖中，我們發(fā)現(xiàn)薄膜在激光能量密度為7 J/cm2時具有比較好的表面形貌和較小的粗糙度。這些測試結(jié)果表明在激光能量密度為7 J/cm2時，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌都為最優(yōu)。
　　(4)采用脈沖激光沉積技術(shù)在Si(100)和Si(111)襯底上制備了均勻連續(xù)的β-FeSi2薄膜，研究了β-F

6、eSi2薄膜的生長特點(diǎn)和Si襯底取向之間關(guān)系。XRD的測試表明β-FeSi2薄膜在Si(001)和Si(111)襯底上都有高度的(202)/(220)取向，β-FeSi2薄膜的取向和襯底的取向無關(guān)。SEM和AFM的測試結(jié)果表明β-FeSi2薄膜在Si(001)和Si(111)襯底上有很大的形貌差異，生長在Si(001)上的薄膜表面光滑，生長在Si(111)襯底上的薄膜表面要粗糙一些；生長在Si(111)襯底上薄膜的厚度約是生長在Si(0

7、01)襯底上薄膜厚度的2倍。
　　(5)采用X射線衍射儀(XRD，X-Ray Diffraction)、掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)、原子力顯微(AFM，Atomic Force Microscope)、X射線能譜儀(EDX，Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy)、傅紅外光譜儀(FTIR，F(xiàn)ourier-Transform Infrared