尺寸可控硅纳米晶的光学常数和禁带宽度研究

【作者】 俞翔； 张荣君； 徐子杰； 林崴； 赵海斌； 郑玉祥； 陈良尧；

【机构】 复旦大学信息学院光科学与工程系；

【摘要】 自从Canham观察到室温下多孔硅的发光现象以来,低维硅材料因其良好的发光性能引起了广泛的关注和研究。特别是硅纳米晶具有结构稳定、价格低廉,且制备方法能与现有集成电路工艺相兼容等优点,因而成为硅基光电子器件研究的热点。目前研究最为广泛的是嵌在SiO₂中的硅纳米晶（Si nanocrystals,即Si-NCs）,主要可采用离子注入法、溅射法、化学气相沉积等手段制备。过去近20年来,硅纳米晶的光学性质在理论和实验上均开展了较全面研究。硅纳米晶的光学常数和禁带宽度的研究,对于它在光电子器件方面的设计和应用有比较重要的作用。实验中,采用热蒸发方法在石英基底上制备周期性SiO_x/SiO₂的超晶格多层膜结构,周期数为40,其中SiO₂层得厚度恒定为4nm,SiO₂层得厚度随不同样品从2nm到6nm而改变,然后在1100℃高温氮氛围中退火1小时后获得嵌在SiO₂中的硅纳米晶,硅纳米晶的尺寸由退火前SiO₂层的厚度控制。然后在室温下利用全自动椭圆偏振光谱仪在1.5-4.1 eV光子能量范围内分别以65°、70°和75°三个入射角对样品进行测量;用Maxwell-Garnett EMA模型分别与Lorentz色散模型和Forouhi-Bloomer色散模型结合,对得到的椭偏参数进行拟合,从而获得不同尺寸硅纳米晶的光学常数和禁带宽度,得到硅纳米晶的光学常数和禁带宽度等信息与体材料晶体硅有较大差异,与文献中基于量子限制效应的理论计算的结果符合,本文对这一结果作了一些分析讨论。更多还原