Mg-,2-Si薄膜的脈沖激光沉積及其結(jié)構(gòu)控制.pdf

1、Mg2Si作為一種窄帶隙半導(dǎo)體材料以及環(huán)境友好型功能材料，在熱電器件、電子器件、光電子器件、能量器件以及合金材料表面改性等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展以及基于光電集成的設(shè)想，在Si基片上生長(zhǎng)Mg2Si薄膜將具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值，但已有研究存在薄膜沉積困難或由于Mg揮發(fā)帶來(lái)組分偏離化學(xué)計(jì)量比等問(wèn)題。脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)可以保證靶材和薄膜成分的一致性，在制備Mg2Si這種揮發(fā)性化合物薄膜方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2、為此，本文以放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備的Mg2Si陶瓷為靶材，采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)，在Si單晶基片上制備物相單一、結(jié)晶良好、表面平整的Mg2Si多晶薄膜，重點(diǎn)研究了沉積工藝對(duì)薄膜組成、結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)Mg2Si薄膜的電學(xué)與光學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。 ⑴以高純Mg、Si微粉為原料，采用SPS技術(shù)制備出純相、結(jié)構(gòu)均勻、高致密度(致密度98.86％)的Mg2Si陶瓷靶材。研究了原料配比、合成溫度和保溫時(shí)間、燒結(jié)溫度等工藝條件

3、對(duì)Mg2Si陶瓷的物相和結(jié)構(gòu)的影響，確定了制備Mg2Si陶瓷靶材的兩步法工藝，即先在Mg過(guò)量10wt％、溫度550℃、保溫時(shí)間10min條件下合成純相Mg2Si粉體；再將粉體在750℃燒結(jié)成致密靶材。 ⑵以Mg2Si陶瓷為靶材，利用PLD技術(shù)在Si(111)和Si(100)基片上于室溫下沉積了Mg2Si薄膜，重點(diǎn)研究了沉積參數(shù)(激光能量密度、退火氣氛及氣壓、退火溫度、退火時(shí)間等)對(duì)薄膜物相、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，隨

4、激光能量密度的增大，Mg2Si薄膜的結(jié)晶度提高，但表面粗糙度也隨之增大；在Ar氣中退火所得薄膜的結(jié)晶性和表面形貌優(yōu)于真空和N2退火，且隨Ar氣壓的增大，薄膜晶粒尺寸變大；隨著退火溫度的升高，薄膜的結(jié)晶性提高，500℃退火后表現(xiàn)出較好的結(jié)晶性，但當(dāng)溫度再升至600℃時(shí)，薄膜易被氧化成MgO；退火時(shí)間太短，薄膜晶粒生長(zhǎng)不完全，退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)大顆粒，粗糙度增大。制備Mg2Si薄膜的適宜工藝條件為：室溫沉積，激光能量密度2.3

5、6J/C㎡，退火溫度500℃，退火氣氛Ar氣，氣壓10Pa，退火時(shí)間30min。在該條件下得到的Mg2Si多晶薄膜的物相單一，表面平整，晶粒大小均勻，排列緊密，結(jié)晶良好。 ⑶在此基礎(chǔ)上，對(duì)Mg2Si薄膜的電學(xué)及光學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：測(cè)試溫度范圍(110～230℃)內(nèi)Mg2Si薄膜的最大電阻率為7Ω·cm，且隨溫度的升高電阻率逐漸降低，表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。其載流子濃度為負(fù)值，呈現(xiàn)為n—型半導(dǎo)體特征，其禁帶寬度為1.1603e