【摘要】：晶體硅(c-Si)以其優(yōu)良的電學特性、成熟的工藝和低廉的成本成為微電子和光電子行業(yè)的基礎材料。然而,受制于自身的間接帶隙且光學常數(shù)固定不可調(diào)控等局限,c-Si的光學特性并不出色。金屬摻雜能引入深能級缺陷、束縛激子等局域化電子結(jié)構(gòu),是實現(xiàn)Si材料能帶改性的一個有效手段。非晶硅(a-Si)本身具備禁帶寬度可控、折射率可調(diào)、光吸收系數(shù)大等c-Si所不具備的特殊光電特性,且對摻入其中的金屬原子的固溶度更高,是實現(xiàn)金屬摻雜的優(yōu)秀Si基基質(zhì)材料。本文選擇金屬摻雜a-Si薄膜為研究方向,以非晶硅釕(a-Si_(1-x)Ru_x)薄膜和非晶硅銀(a-Si_(1-x)Ag_x)薄膜為研究對象,采用多種成膜技術(shù)與材料特性表征手段并結(jié)合仿真設計,深入研究了薄膜微觀結(jié)構(gòu)及光電特性的演變規(guī)律及其作用機理,并對潛在應用進行了探索。具體內(nèi)容可概括如下:(1)采用射頻磁控共濺射(RF co-sputtering)成膜技術(shù),制備a-Si_(1-x)Ru_x薄膜;使用多種材料表征手段,深入研究了a-Si網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)隨薄膜中Ru含量變化的演變規(guī)律、Ru原子在薄膜中的存在形式;結(jié)合退火處理,分析并討論了a-Si_(1-x)Ru_x薄膜中a-Si網(wǎng)絡與納米晶在溫度作用下的結(jié)構(gòu)變化;通過引入氫氣制備出了氫化非晶硅釕(a-Si_(1-x)Ru_x:H)薄膜,建立了薄膜中硅氫(Si-H)組態(tài)變化與Ru含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明,a-Si網(wǎng)絡短程有序性和中程有序性,隨Ru含量增加出現(xiàn)了不同程度的下降。Ru原子既可以替位原子存在于a-Si網(wǎng)絡中,又會析出形成硅釕納米晶。高溫使硅釕納米晶發(fā)生相變,并通過金屬誘導晶化機制促進了a-Si晶化。在a-Si_(1-x)Ru_x:H中,Ru原子與微孔內(nèi)表面的Si懸掛鍵結(jié)合,使薄膜中H含量下降,剩余的H多以體Si-H單鍵形式存在。(2)在a-Si_(1-x)Ru_x薄膜微觀結(jié)構(gòu)的研究基礎上,對薄膜的激活能、電阻率與電阻溫度系數(shù)(TCR)的變化規(guī)律進行了研究;利用光譜橢iD儀建立了薄膜的光學模型,對薄膜折射率、消光系數(shù)及色散關(guān)系進行了分析,并優(yōu)化了薄膜的光學帶隙;結(jié)合硅襯底表面微納結(jié)構(gòu),構(gòu)建了準二維無序材料,以實現(xiàn)在縮減薄膜厚度條件下的近紅外寬譜高效光吸收。結(jié)果表明,a-Si_(1-x)Ru_x薄膜的激活能與電阻率隨Ru含量的增加而降低。通過調(diào)控釕含量,可使非晶硅釕薄膜具有較低的電阻率和較高的TCR。同時,薄膜折射率和消光系數(shù)隨釕含量增加而升高,近紅外波段吸收系數(shù)高于硅鍺薄膜,且光學帶隙隨釕含量增加而減小。準二維無序材料包含隨機分布的納米孔陣列,可使光學模式在薄層平面內(nèi)產(chǎn)生多次散射,進而實現(xiàn)寬光譜增益�；谶@種特殊結(jié)構(gòu)的非晶硅釕薄膜,可在兼顧光吸收的同時避免載流子無謂復合。(3)采用RF co-sputtering成膜技術(shù),制備a-Si_(1-x)Ag_x薄膜;針對Si與Ag為簡單二元共熔體系的特點,研究了Ag原子對a-Si網(wǎng)絡的影響和納米晶粒的特征;研究了不同Ag含量a-Si_(1-x)Ag_x薄膜的電阻率變化范圍,并與硅銀憶阻器開關(guān)比進行了比較。通過橢iD建模,重點研究了薄膜的色散關(guān)系,闡明了薄膜光學常數(shù)變化機理,并討論了潛在的應用方向;利用Ag在Si中形成的深能級缺陷,實現(xiàn)了a-Si_(1-x )Ag_x薄膜常溫光致發(fā)光。結(jié)果表明,薄膜中的Ag會使a-Si網(wǎng)絡無序化,并以納米晶的形式均勻分布。隨著Ag含量的增加,薄膜電阻率逐漸減小,其電阻率變化范圍覆蓋了硅銀憶阻器的典型電阻開關(guān)比。a-Si_(1-x)Ag_x薄膜折射率變化由寬光譜范圍內(nèi)的增加與可見光范圍內(nèi)的反常色散疊加形成,消光系數(shù)隨銀含量的增加而增加,并在700nm左右出現(xiàn)吸收峰。同時,a-Si_(1-x)Ag_x在可見、近紅外、遠紅外及太赫茲段的透過率均隨Ag含量的增加而降低。a-Si_(1-x)Ag_x在常溫下具有光致發(fā)光特性,隨著薄膜中Ag含量的增加,其發(fā)光強度先升后降,峰位出現(xiàn)紅移。(4)構(gòu)建并制備出“Ag/a-Si/p-Si”憶阻結(jié)構(gòu),研究了其阻變特性;設計出了基于a-Si_(1-x)Ag_x薄膜憶阻器的新型光開關(guān),并通過仿真軟件進行了功能驗證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化;設計出了基于a-Si_(1-x)Ag_x薄膜憶阻器的光讀取仿生神經(jīng)突觸,并通過仿真軟件進行了功能驗證。結(jié)果表明,a-Si_(1-x)Ag_x薄膜憶阻器阻變性能受窗口尺寸和制備工藝的影響,與薄膜中所包含的微孔結(jié)構(gòu)與致密度相關(guān)。通過優(yōu)化新型光開關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸,可使其具備低插入損耗、高消光比的特性。光讀取仿生神經(jīng)突觸具有將突觸權(quán)值以光強輸出的功能,并能利用材料色散在單節(jié)點上實現(xiàn)按波長展開形成多個信道的能力。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O484

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李顯堯;俞育德;余金中;;硅基熱光、電光、全光開關(guān)及其陣列的研究進展[J];物理;2013年04期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 何劍;氫化非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)及其物理效應[D];電子科技大學;2015年

，

本文編號：2378704