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研究生:施昶榆
研究生(外文):Shih-Chang Yu
論文名稱:摻雜稀土元素之矽鍺氧化物薄膜之物理及光學特性之研究
論文名稱(外文):Physical and Optical properties of Rare-earth doped SixGeyO1-x-y films
指導教授:高至誠高至誠引用關係
指導教授(外文):Chih-Cheng Kao
學位類別:碩士
校院名稱:南臺科技大學
系所名稱:光電工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:104
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:矽/鍺奈米晶體
外文關鍵詞:Si/GeErPrnano-crystals
相關次數:
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本研究為利用反應磁控式濺鍍系統製備摻入稀土元素之SixGeyO1-x-y薄膜,並以控制製程氣體流量、濺鍍功率與濺鍍槍上擋板開口大小來調整製程鍍率及各元素含量。最後經高溫熱處理後形成不同特性的薄膜,再於各種物理分析中深入探討SixGeyO1-x-y薄膜摻入稀土元素後其物理特性以及光學特性。
本實驗為沉積不同材料矽、鍺和稀土元素(鉺、鐠),以共濺鍍法進行製程,利用製程時間與製程功率改變薄膜的厚度、均勻性,並以直流濺鍍槍上的擋板開口大小來控制鉺於膜膜上的含量,其開口大小分別為20、15和10度,另外更以製程氣體流量控制改變薄膜濺鍍速率。為了解薄膜之物理特性,本實驗以XPS進行薄膜中的化學含量與能譜分析,並從不同擋板開口之參數中,控制稀土元素的含量。而為了解薄膜各項物理與光學特性,本實驗於濺鍍後進行退火製程,發現經700℃熱退火1小時與3小時後的薄膜中,其矽與鍺之晶體有共存之特性,微拉曼光譜儀分析中發現有結晶鍺-鍺的鍵結訊號,並由TEM微結構分析中再次確認薄膜中的結晶狀態,發現薄膜上分佈大小不同但晶格條紋清晰之奈米晶體,其晶體尺寸大小在3至20 nm之間,其尺寸正好小於矽/鍺材料的波爾半徑,有機會產生量子侷限效應。
為證明本實驗作為發光材料的可行性,我們將具有矽/鍺量子點的薄膜於室溫下以266 nm、325 nm激發光源照射下進行光致發光的光譜量測,薄膜於可見光範圍約400~700 nm發出一定強度之可見光,且範圍近乎涵蓋整個可見光譜,本實驗另外又以稀土元素鐠(Pr)摻入SixGeyO1-x-y薄膜進行同樣的物理與光學特性分析已進行兩系列薄膜之間的相互的比較。
In this study, rare earth doped SixGeyO1-x-y thin films are deposited by radio-frequency reactive magnetron co-sputtering using Si/Ge target and (Er、Pr) target, After the growth, the films are thermal annealed in different atmosphere, physical and optical properties of the films are investigated.
The films thickness is controllable by changing the fabrication parameters, The chemical content of the as-grown film is extracted by XPS. Our result indicates that SixGeyO1-x-y:Er thin films could be grown by our method. After the growth, we perform thermal annealing at 500-700℃ for 1 and 3 hours in N2, that induces phase separation of SixGeyO1-x-y and form Si/Ge nano-particles. We investigated structural physical properties of the films by X-ray diffraction (XRD)、Microscopes Raman Spectrometer and transmission electron microscopy (TEM) measurements. The result shows that Si and Ge nano-sized poly crystals are both formed within the annealed SixGeyO1-x-y:Er films, and the size of particles are between 3 to 20 nm.
In this study, we also perform optical properties by photoluminescence with the excitation at 266 nm and 325 nm, the films emit light in almost the whole visible range from 400 to 700 nm, we also grown Pr ions doped SixGeyO1-x-y films to comparison.
目 次
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目 次 IV
表目錄 VIII
公式 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言與歷史回顧 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧及理論基礎 4
2-1材料特性 4
2-1-1 塊材矽與鍺的特性 4
2-1-2 材料的能帶 4
2.2 奈米材料 6
2-2-1 奈米材料尺寸的定義 6
2-2-2 奈米材料之特性 7
2-2-3 表面效應 7
2-2-4 小尺寸效應 8
2-2-5 量子侷限效應 9
2-3矽與鍺之材料相關特性文獻 11
2-3-1 材料的發光特性及尺寸影響 11
2-3-2 矽/鍺合金之物理特性 12
2-4 稀土元素鉺(Erbium)特性及應用 13
2-4-1 稀土元素鉺之物理特性 14
2-4-1-1 能階史塔克效性 14
2-4-2 稀土元素鉺之濃度衰減 16
2-4-3 相關理論與文獻 18
第三章 實驗方式與儀器介紹 25
3-1 SixGeyO1-x-y:Er薄膜之製作流程與分析量測 25
3-2 實驗所需耗材及實驗步驟 26
3-3 清潔程序 27
3-4 薄膜之製備及參數 28
3-4-1 薄膜成長與製程系統 28
3-4-2濺鍍原理及機制 30
3-4-2-1 電漿 31
3-4-2-2 濺鍍機 32

3-4-2-3 實驗製程參數 34
3-4-3 高溫熱退火 35
3-5 薄膜分析與量測 36
3-5-1 元素比例與成份分析 36
3-5-1-1 XPS定量分析 37
3-5-2 膜厚型態量測 40
3-5-3 表面型態分析 41
3-5-4 薄膜晶體結構分析 42
3-5-5 薄膜截面型態及微結構分析 45
3-5-6 發光特性量測 47
3-5-6-1 光致螢光(Photoluminescence, PL) 47
3-5-6-2 (Infared Photoluminscence, IR-PL) 49
第四章 實驗結果之分析與討論 50
4-1 薄膜的元素組成分析 50
4-1-1 薄膜的製程參數分類 50
4-2 SixGeyO1-x-y:Er薄膜系列 52
4-2-1定量分析SixGeyO1-x-y:Er薄膜 52
4-2-1-1 SixGeyO1-x-y:Er薄膜之XPS core level 能譜圖 54
4-2-2 SixGeyO1-x-y:Er薄膜之晶體型態探討 60
4-2-3 SixGeyO1-x-y:Er薄膜之鍵結型態探討 64
4-2-4 SixGeyO1-x-y:Er薄膜晶體微結構分析 66
4-2-5 SixGeyO1-x-y:Er薄膜之光學特性分析 72
4-3 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜系列 76
4-3-1定量分析SixGeyO1-x-y:Pr薄膜 77
4-3-1-1 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜之XPS core level 能譜圖 79
4-3-2 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜之晶體型態探討 82
4-3-3 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜之鍵結型態探討 84
4-3-4 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜晶體微結構分析 86
4-3-5 SixGeyO1-x-y:Pr薄膜之光學特性探討 92
第五章 結論 94
參考文獻 96
1.L. T. Canham, “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical dissolution of wafers”, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 , (1990).
2.T. Shimizu-Iwayama, “Visible photoluminescence in Si1-implanted thermal oxide films on crystalline Si”, Appl. Phys. Lett. 65 (14), (1994).
3.A. F. Zatsepin, V. A. Pustovarov, V. S. Kortov, E. A. Buntov, H.J. Fitting, “Time-resolved photoluminescence of implanted SiO2 :Si+ films”, Journal of Non-Crystalline Solids, 355, 1119-1122, (2009).
4.I. Bineva, D. Nesheva, Z. Aneva, Z. Levi, “Room temperature photoluminescence from amorphous silicon nanoparticles in SiOx thin films”, Journal of Luminescence, (2007).
5.Vladimir Svrcek, Takeshi Sasaki, Yoshiki Shimizu, and Naoto Koshizaki, “Blue luminescent silicon nanocrystals prepared by nanosecond laser ablation and stabilized in electronically compatible spin on glasses”, Appl. Phys. Lett. 103, 023101, (2008).
6.A. Perez-Rodiriguez, O. Gonzalez-Varona, B, Garrido, P. Pellegrino, R. Morante, “White luminescence from Si+ and C+ ion-implanted SiO2 films”, J. Appl. Phys. 94, 254, (2003).
7.M. Fujii, M. Yoshida, Y. Kanzawa, “1.54 mm photoluminescence of Er3+ doped into SiO2 films containing Si nanocrystals: Evidence for energy transfer from Si nanocrystals to Er3+”, Appl. Phys. Lett. 71, 9, (1997).
8.C.-C. Kao, C. Barthou, B. Gallas, S. Fission, G. Vuye, and J. Rivory, “Correlation between Si-related and erbium photoluminescence bands and determination of erbium effective excitation cross section in SiO2 films”, Appl. Phys. Lett. 98, 013544, (2005).
9.鄭春皇,“鋁金屬誘發多晶矽之研究” ,國立中央大學光電科學研究所 碩士論文,民95年。
10.施敏,半導體元件物理與製作技術(第二版),國立交通大學出版社,(2010)。
11.陳光華、鄧金祥,“奈米薄膜技術與應用”,五南圖書出版股份有限公司,2005。
12.馬振基,“奈米材料科技原理與應用”,全華圖書股份有限公司,2007。
13.鄭仁傑,“矽鍺氧化物白光發光元件之開發”,南臺科技大學光電工程系研究所 碩士論文,民100年。
14.Y. Maeda, N. Tsukamoto, Y. Yazawa, Y. Kanemitsu, and Y. Masumoto, “Visible photoluminescence of Ge microcrystals embedded in SiO2 glassy matrices” Appl. Phys. Lett., Vol. 59, pp. 3168-3170, (1991).
15.Yoshihiko Kanemitsu, Hiroshi Uto, and Yasuaki Masumoto, “On the origin of visible photoluminescence in nanometer-size Ge crystallites”, Appl. Phys. Lett., Vol. 61, pp. 2187-2189, (1992).
16.M. Zacharias et al, “Visible luminescence from Ge nanocrystals embedded in a-Si1-xOx films: correlation of optical properties and size distribution”, Journal of Non-Crystalline Solids, 198-200,115-118, (1996).
17.C.-C. Kao et al, “Correlation between Si-related and erbium photoluminescence bands and determination of erbium effective excitation cross section in SiO2 films”, Appl. Phys. Lett. Vol. 98, pp. 013544-1~013544-5, (2005).
18.陳碩甫,“奈米矽發光元件之研製”,南臺科技大學光電工程研究所 碩士論文,民98年
19.曾勝雄,“鍺量子點金氧半偵測器與複晶矽薄膜光電晶體之研究”,國立中央大學電機工程學系 博士論文,民99年。
20.蘇佩微,“選者性氧化複晶矽鍺形成鍺量子點的光特性與光二極體研製”, 國立中央大學電機工程研究所 碩士論文,民94年。
21.Y. Abdi, et al, “Silicon nano-crystalline structures fabricated by a sequential plasma hydrogenation and annealing technique” Thin Solid films, Vol. 516, pp. 3172-3178, (2008).
22.Chung-Hsiang Chang, Yi-Hao Pai, Jr-Hau He, Gong-Ru Lin, “Wavelength-tunable blue photoluminescence of < 2 nm Si nanocrystal synthesized by ultra-low-flow-density PECVD” Acta Materialia, 58, 1270-1275, (2010).
23.J.-Y. Zang, et al, “Voltage-controlled electroluminescence from SiO2 films containing Ge nanocrystals and its mechanism” Appl. Phys. A, 71, 299-303, (2000).
24.S. H. Autler, C. H. Townes, “Stark Effect in Rapidly Varying Fields”, Phys. Rev. 100, 703 (1955).
25.Wikipedia, “Stark effect” (2014).
26.Bor-Chyuan Hwang, et al, “Cooperative upconversion and energy transfer of new high Er3+- and Yb3+-Er3+-doped phosphate glasses”, JOSA B, vol 17, 5, 833-839, (2000)
27.楊曆嵐, “摻鉺二氧化矽-二氧化鈦光學薄膜之製備與特性研究” 國立成功大學材料科學及工程學系 碩士論文,民94年。
28.Rui Huang, Kunji Chen, “Strong green-yellow electroluminescence from oxidized amorphous silicon nitride light-emitting devices”, Appl. Phys. Lett. 90, 093515 (2007).
29.Y. Maeda, et al, “Visible photoluminescence from nanocrystallite Ge embedded in a glassy SiO2 matrix: Evidence in support of the quantum-confinement mechanism”, Phys. Rev. B, 51, 1658-1670, (1995).
30.D. Mustafa, et al, “Erbium enhanced formation and growth of photoluminescent Er/Si nanocrystals”, Thin Solid Films, 536, 196–201, (2013)
31.Tamara V. Gavrilovic´, et al, “Multifunctional Eu3+- and Er3+/Yb3+-doped GdVO4 nanoparticles synthesized by reverse micelle method”, Scientific Reports, 4, 4209, (2014).
32.Lijiao Tian, Zheng Xu, et al, The Upconversion Luminescence of Er3+/Yb3+/Nd3+ Triply-Doped β-NaYF4 Nanocrystals under 808-nm Excitation, Materials, 7, 7289-7303, (2014).
33.A. Polman, “Erbium implanted thin film photonic materials” Appl. Phys. Rev. 82, 1, (1997)
34.張筱雅,林怡君,“SiOx薄膜之微結構與光學常數分析”,南臺科技大學光電系專題報告,民98 年。
35.F. G. Bell and L. Ley,Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Heisenbergstrasse 1, D-7000 Stuttgart 80, Federal Republic of Germany (Receieved 16 November 1987)
36.謝修銘,“氧化鋅鋁透明導電薄膜在高濕環境下之行為研究”,國立中央大學化學工程與材料工程研究所 碩士論文,民99年。
37.吳原億,“Formation and investigation of nano-particles obtained from sputtered SixGeyO1-x-y films”, 南臺科技大學光電工程研究所 碩士論文,民98 年。
38.K. Hafidi, “ Interaction of oxygen with (Er + Si): formation of erbium pyrosilicate Er2Si2O7”, Applied Surface Science 108, 251-256, (1997).
39.陳鏗仁,“矽鍺氧化物之奈米結構研究”,南臺科技大學光電工程研究所 碩士論文,民99 年。
40.Y. X. Jie et al., “Raman and photoluminescence properties of Ge nanocrystals in
silicon oxide matrix”, Materials Science and Engineering B, Vol. 107, pp. 8-13, (2004).
41.Y. M. Yang and X. L. Wu, “Formation, structure, and phonon confinement effect of nanocrystalline Si1-xGex in SiO2-Si-Ge co-sputtered films”, J. Appl. Phys., Vol. 96, pp. 5239-5242, (2004).
42.Minoru Fujii, “Shinji Hayashi and Keiichi Yamamoto, Raman scattering from quantum dots of Ge embedded in SiO2 thin films”, Appl. Phys. Lett., Vol. 57, pp. 2692-2694, (1990).
43.陳立俊,“材料電子顯微鏡學”(修訂版),行政院國家科學委員會精密儀器發展中心,民83年。
44.A. J. Kenyon, P. F. Trwoga, C. W. Pitt and G. Rehm, “The origin of photoluminescence from thin films of silicon-rich silica”, J. Appl. Phys, 79, 9291-9300, (1996).
45.M. Zhu, Y. Han, R. B. Wehrspohn, C. Godet, R. Etemadi and D. Ballutaud, “The origin of visible photoluminescence from silicon oxide thin films prepared by dual-plasma chemical vapor deposition", J. Appl. Phys, 83, 5386-5393, (1998).
46.M. Zacharias, P. M. Fauchet, “Blue luminescence in films containing Ge and GeO2 nanocrystals: The role of defects”, Appl. Phys. Lett, 71, 380-382, (1997).
47.M.S. Dhlamini, H.C. Swart, “Photoluminescence properties of SiO2 surface-passivated PbS nanoparticles”, South African Journal of Science, 104, (2008).
48.Hari Singh Nalwa, “Silicon-Based Material and Devices, Two-Volume Set: Materials and Processing, Properties and Devices” Academic Press, p.249, 2001
49.曾威誌,“矽量子點發光元件特性之提升”,南臺科技大學光電工程研究所 碩士論文,民100年。
50.徐政傑,“以低溫奈米鋁金屬誘發技術製備多晶矽鍺與 多晶矽薄膜及其光電特性之研究” ,南臺科技大學光電工程研究所 碩士論文,民98年。
51.S. Tripathi, A. Sharma et al, “Effect of composition modulation on the structural and optical properties of Si/Ge bilayers”, Solid State Communications, 149, pp. 25, (2009).
52.蔡明善,“奈米粒子在Fabry-Perot共振腔內其光譜之研究”,行政院國家科學委員會專題研究計畫,民96年。
53.Guojun Gao and Lothar Wondraczek, “Near-infrared downconversion in Pr3+/Yb3+ co-doped boro-aluminosilicate glasses and LaBO3 glass ceramics” OSA 1 , Vol. 3, (2013).
54.J. Rodrigues, “GaN:Pr3+ nanostructures for red solid state light emission” The Royal Society of Chemistry, 4, 62869–62877, (2014).
55.A. Mekki et al, “Magnetic properties of praseodymium ions in Na2O–Pr2O3–SiO2 glasses”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 260, 60–69, (2003).
56.國立成功大學微奈米中心、貴重儀器中心網站之儀器設備介紹。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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