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氢化纳米硅薄膜力学及电学性质的研究

作　者: 王君雄
导　师: 丁建宁
学　校: 江苏大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 氢化纳米硅薄膜 掺氢硅原胞 第一性原理 紧束缚能带理论
分类号: TN304.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


硅是半导体工业的基础材料。半导体工业中95%的材料都是采用硅制作的。传统硅材料主要是采用单晶硅。但是在光电子材料领域,由于单晶硅是间接带隙材料。因此,其应用受到了很大的限制。为了充分利用丰富的硅资源与其成熟的工艺。人们采用各种方法对其材料进行改进。将硅制备成为低维材料或对其进行各种形式的掺杂,实现其特殊的功能。本文利用等离子体增强化学气相沉积方法制备了氢化纳米硅薄膜。薄膜中的晶粒大小约为几个纳米。其晶态比约为50%。其晶粒之间的界面成分对于薄膜的物理性质有着重要的影响。本论文主要讨论氢化纳米硅薄膜的制备工艺,掺磷纳米硅薄膜的显微力学性质与接触电学性质,以及一种掺氢超原胞的能带结构。研究发现利用PECVD方法制备氢化纳米硅薄膜,即使在氢气与硅烷比例极高的情况下,生成硅基薄膜的化学反应仍然是远离化学平衡的。因此,在生长纳米硅薄膜时必须保持高的氢气硅烷比例,以保证纳米晶粒的形成,这样必然导致氢气的大量浪费和较低的薄膜生长效率,为此对现有工艺有必要进行改进。利用纳米力学测试系统测试了掺磷纳米硅薄膜的显微力学特性,发现掺磷纳米硅薄膜的平均显微硬度为5 GPa,其弹性模量随着深度的增加不断增大,这与薄膜中氢含量随深度的增加而减少有关。电学性质的测试显示,与薄膜宏观电阻均匀的特点不同的是,薄膜的局部接触电阻呈现极不均匀的现象。我们还提出了纳米硅薄膜超晶格量子阱模型讨论了在室温下观测到的Ⅰ-Ⅴ震荡现象。最后,提出了一种掺氢硅原胞结构,这种结构可以使得硅从间接带隙转变成为直接带隙,对于这种氢掺入硅材料中有序性的极端情况下的能带结构,分别采用局域密度泛函理论和紧束缚能带理论进行了计算,发现了掺氢硅材料有可能实现从间接带隙转变为直接带隙的物理原因,并提出了等效杂化的思想。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-13
  1.1 掺氢硅基材料的研究背景和意义  10-11
  1.2 论文的主要内容和结构  11-13
第二章 氢化纳米硅薄膜的制备  13-21
  2.1 引言  13
  2.2 射频等离子体增强化学气相沉积法  13-15
  2.3 纳米硅薄膜的生长机制  15-18
    2.3.1 本征纳米硅薄膜的生长  15
    2.3.2 化学反应的平衡问题  15-16
    2.3.3 化学反应的速率  16-17
    2.3.4 沉淀膜的表面化学反应  17-18
  2.4 纳米硅薄膜制备工艺参数对薄膜微结构的影响  18-20
    2.4.1 SiH_4∶(SiH_4+H_2)的影响  18
    2.4.2 直流偏压的影响  18-19
    2.4.3 衬底温度的影响  19
    2.4.4 工作气压的影响  19-20
    2.4.5 高频电源功率的影响  20
  2.5 本章小结  20-21
第三章 掺磷纳米硅薄膜的纳米力学和电学性质  21-31
  3.1 掺磷纳米硅薄膜的制备  21
  3.2 纳米力学和电学测试  21-26
    3.2.1 O&P方法简介  21-23
    3.2.2 薄膜接触电阻测试的基本原理与影响因素  23-26
  3.3 测试的结果与分析  26-30
    3.3.1 掺磷纳米硅薄膜的力学测试结果与分析  26-28
    3.3.2 掺磷纳米硅薄膜的接触电阻测试结果与分析  28-30
  3.4 第三章小结  30-31
第四章 纳米硅薄膜超晶格量子阱模型的I-V特性模拟计算  31-41
  4.1 超晶格量子阱物理及其发展现状  31-32
  4.2 非简并掺杂半导体材料费米能级的计算  32-33
  4.3 简并掺杂半导体材料费米能级的计算  33-34
  4.4 超晶格量子阱共振隧穿效应理论公式推导  34-38
    4.4.1 多量子阱隧穿的理论模型  34-37
    4.4.2 纳米硅薄膜超晶格量子阱模型  37-38
  4.5 理论模拟与分析  38-40
  4.6 第五章小结  40-41
第五章 掺氢超原胞的能带结构  41-57
  5.1 能带计算的基本方法  41-45
    5.1.1 第一性原理方法简介  41
    5.1.2 单电子近似的发展历史与密度泛函理论简介  41-43
    5.1.3 紧束缚近似方法(TB)  43-45
    5.1.4 MS软件中CASTEP模块简介  45
  5.2 掺氢超原胞能带的计算结果与结论分析  45-56
    5.2.1 利用密度泛函理论计算掺氢超原胞  45-51
    5.2.2 等效杂化的思想  51
    5.2.3 紧束缚近似的理论计算  51-56
  5.3 第五章小结  56-57
第六章 总结与展望  57-59
  6.1 论文结论与创新点  57
  6.2 论文展望  57-59
附录  59-61
参考文献  61-67
致谢  67-68
硕士在读期间发表论文及所获奖励  68

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 元素半导体 > 硅
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