拉曼光谱中量子限制效应分析(2)
拉曼光谱术是一种结合拉曼效应与显微光学研究材料物理特性的手段, 其主要研究对象为晶格与分子的振动和转动特性。近年来显微拉曼光谱术得到了迅速发展并被应用到许多领域, 在微电子材料、器件的研究中也具有非常重要的应用 。利用显微拉曼光谱学研究微电子材料与器件的方法具有非接触式测量、对样品无损害、空间分辨率较高等特点, 和其他测量方式相比具有鲜明的优点。随着微电子技术的高速发展, 利用显微拉曼光谱术作为基本研究手段研究各种新材料和各种新器件, 取得了重大进展。
1.2国内外研究现状与发展趋势介绍
1.3研究目的及意义
众所周知，半导体硅(si)材料是当今世界整个微电子产业的支柱，但是单晶硅(c-si)间接带隙的属性阻碍了其在有效发光器件上的应用。人们努力尝试多种途径让硅有效发光:在红外波段，如通过优化设计复杂的硅二极管器件工艺[[1]
引入缺陷作为辐射复合中心[[2]、或在硅晶格中掺入活性杂质(如饵)[3]或者新相
(如二矽化铁)[4];在可见光波段，通过能带工程实现低文结构的硅体系，例如硅纳米结构卜8]、S1}S1}:超晶格[[9]等，目标是实现光电子和微电子系统的集成,这是当今国际上新兴的富有活力的热点研究领域一硅光电子学。典型的制备硅纳
米结构的方法是利用化学气相沉积或溅射法把纳米量级的硅晶粒镶嵌在玻璃体
5102 [、非晶氮化硅(a-SiNX) f6]和氢化非晶硅(a-Si:H) [}0g]网络里。由于低文状态下光学跃迁中动量不一定需要守恒[[io]，辐射复合跃迁几率增大，发光效率明显提高，人们己经利用量子限制效应在这些硅纳米结构中成功实现了发射波长可调的室温可见发光。此外，硅仍然被期待成为21世纪能够应用到光通信、光信息存储和处理、光学和红外成像等光电子工业每一个领域的材料[川。因此研究硅纳米结构的光学性质、提高发光效率，对推动硅光电子学的发展具有重要意义。
氢化纳米硅(nc-Si:H)，即硅纳米晶粒镶嵌在a-Si:H网络里这样一种硅纳米结构材料，自从1968年被Veprek和Marecek首次制备报道出来[yz〕以后，由于它在发光二级管[i3-is}、薄膜太阳能电池[f}l、光存储器[fi6l隧穿二级管[}m,is}、薄膜晶体管[‘”〕以及单电子晶体管[}zo〕等光电器件方面的潜在应用而引起人们的广泛兴趣。nc-Si:H中硅纳米晶粒的直径大小约3-10 nm，可以看成是准零文的量子点;其晶态成分的体积分数(即晶态比)约50%左右(晶态比大小没有严格的数值上的限定)，硅晶粒之间的a-Si:H层的厚度约2-4个原子层间隔}Zl}o nc-Si:H的光电性质主要由其微观结构如晶粒尺寸和晶态比等决定[}zz};而其微观结构归根结底由生长条件来控制。制备nc-Si:H的方法有等离子体增强化学气相沉积((PECVD)、热丝化学气相沉积、磁控溅射法和激光烧蚀法等，其中PECVD是一种低成本的适用于大面积薄膜制备的技术，己广泛应用在工业领域[[23]。相比a-Si:H和多晶硅薄膜而言，本征nc-Si:H膜具有室温电导率高(10-3-10-' SZ-lcrri l)、电导激活能低、光热稳定性好、光吸收能力强、带隙可调、易于掺杂等优点[[24];因而nc-Si:H在制备优于a-Si:H的薄膜太阳能电池，提高电池稳定性和效率，取代市场上主流的单晶硅和多晶硅太阳能电池，极大的降低生产成本，具有诱人的前景[[}l。正是由于nc-Si:H薄膜的多种光电器件应用使得对其光学性质的研究成为必需。
光学常数(在本文中，我们把折射率、消光系数/吸收系数以及光学带隙统称为“光学常数”)的获得对基础物理研究和对半导体的实际应用，无论是作为微电子和光电子材料的应用，或是作为光学零部件以及近代半导体工艺技术中衬底材料应用都是非常重要的。因为nc-Si:H是c-Si和a-Si:H的混相体系，生长条件的变化会直接影响到其微观结构进而影响它的光学常数。光学带隙能量、折射率、消光系数/吸收系数以及它们与温度的关系，和光电器件的工作波长以及变温范围内的使用密切相关。然而，到目前为止，人们对nc-Si:H光学常数的系统研究甚少。所以，分析提取nc-Si:H的光学常数，揭示这些常数同生长条件(如不同氢稀释比)、温度以及微观结构之间的关系，对今后nc-Si:H光电器件的制备、设计和模拟无疑具有重要意义。值得一提的是，一般nc-Si:H薄膜是长在衬底(如玻璃、单晶硅等)上的，它的光学常数不能通过实验测量直接获得，必须要借助于包络法、各种各样的介电函数模型或经验公式等方法，而我们对这些方法或模型的选取又必须是小心谨慎的，因为这直接影响分析结果的可靠性。