#160;

文#160;献#160;综#160;述

摘要：

氢化非晶硅碳（a-sic:H）合金是一种带隙可调节、#160;机械强度和化学稳定性好的新型功能材料.#160;因其在大面积电子器件中具有潜在应用价值#160;,这种材料的研究受到广泛重视,本文介绍了薄膜光学常数的测量方法简介；本实验采用的测量方法；利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法生长氢化非晶碳化硅(a-SiC：H)薄膜。通过改变PECVD的淀积温度和射频功率这两个参数，来分析不同工艺条件对a-SiC：H薄膜的影响。最后介绍了氢化非晶碳化硅薄膜的应用及光学特性。

关键词：#160;

一、#160;薄膜光学常数的测量方法简介

本文首先介绍了几种常见的薄膜光学常数的测量方法，且此次试验采用透射光谱法进行薄膜光学常数测量。薄膜的光学量中，最简单也最容易测量的是垂直于薄膜表面的入射光的透射率和反射率。利用市场销售的自动分光光度计及其附设的镜面反射率测量装

置，就可以很容易地测量。另外，采用垂直入射光时，还不必考虑光的偏振态的影响，所以数据处理起来要简单、方便得多。但对斜入射光的透射率和反射率的测量，不但需要特殊的装置，还因为入射角增加，入射到试样上的光的投影面积增大，所以应采用大面积试样。实际上，反射率的测量不像透射率测量那样普遍和方便。这是因为反射率对薄膜表面条件的依赖性很强，对入射角的变化极为敏感，所以在反射率测量的过程中，数据的波动性比较大。然而在测量透射率时这些因素的影响要小得多，因此透射率的测量值稳定，测量数据精确。

1、椭圆偏振测量法（小标题要醒目）

椭圆偏振测量法是通过分析光在被测样品上反射前后偏振状态的变化，来

测定薄膜的参数的。该方法的工作原理基于经典的电磁理论，具有原子层级的

灵敏度，并有非破坏性、非扰动性、高灵敏度和高精度等诸多优点。故自这一

技术产生以来。人们就在这一领域进行了大量的研究，且发展迅速。一方面，

测量仪器已从早期的单波长椭偏仪发展到了后来的多波长和连续波长的椭偏

仪：另一方面，被测量的对象也日趋复杂化。目前，这一方法已被广泛应用于

薄膜各种特性的测量”1。用椭偏法测量薄膜的厚度时，较为理想的测量范围是

l#8212;1000nm，因存在厚度的周期性问题，所以实际上当膜厚超过lum时已很难测

准。#8230;1。而且当工作波长小于200nm时，偏振器和补偿器均已不能适用了#8230;1。

采用椭偏法测量的数据在数学处理上非常的复杂和繁琐，这在一定程度上也影

响了该方法的广泛应用。

2、等厚干涉和干涉色测量法

等厚干涉法测量膜厚，是根据劈尖干涉原理，将平行单色光垂直照射到薄

膜上，经多次反射干涉而产生鲜明的干涉条纹，然后再根据条纹的偏移，就可

求出薄膜的厚度，该方法简单、快速，是测量膜厚时普遍采用的方法之一，但

是其测量精度不高。另外该方法对被测的薄膜要求较高(薄膜须具有高反射和

平坦的表面)，需要把薄膜制成台阶才能测量，这就需要比较片或是直接处理薄

膜层，这是限制其应用的主要原因。

干涉色测量可以用来测量薄膜的折射率和厚度。在光垂直入射薄膜的情况

下，反射光和透射光两者都随薄膜的光学厚度nd(薄膜的折射率n和膜厚d之

积)发生周期性变化，呈现出一系列的极大和极小。如果第K级极大值出现在

波长处，第(K I)级极大值出现在波长为处，则根据产生极值的条件可

得到关系式：#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

根据光谱仪测得值，便能得到薄膜的光学厚度了。如果己知薄膜的折射

率11或膜厚d，就可以进一步得到薄膜的厚度d或折射率n了。

4、光度测量法

光度测量法是利用薄膜的复折射率和厚度与薄膜样片反射率和折射率的关

系，通过测量薄膜透射率、膜侧入射光的总反射率和基片侧入射光的总反射率

三个物理量，采用作图法或电子计算机作逐次逼近，从而求出薄膜的光学常数

和厚度，该方法简单易行。

5、光谱法

光谱法又分反射光谱法和透射光谱法。反射光谱法和透射光谱法都是用分

光光度计测出光在垂直入射条件下(也有用斜入射光的，但一般用垂直入射光，

因为此时可不必考虑光的偏振态)的反射或透射光谱曲线，然后再结合一些数

学工具进行反演计算得出薄膜的厚度和光学常数的。这两种方法均因测试简单，

操作方便，精度高而被广泛应用。但在光度法和反射光谱法中利用分光光度计

测量反射率时稳定性不好，实验数据不是很精确。这是因为反射率对薄膜表面

条件的依赖#183;眭很强，对入射角的变化很敏感。然而在测量透射率时这些因素的

影响要小得多，因此透射率的测量值稳定，测量数据精确。基于上述一些原因

所以在过去几十年里，更多的报道则是采用透射光谱法。

二、#160;二，#160;本实验采用的测量方法#160;（文中要介绍为什么这种方法好且简单），要有透射的图，就是给你翻译的文献中，这个只能拷贝了）

透射光谱法#160;（文中公式要使用公式编辑器为好）

用于透射谱测量的样品是沉积在透明玻璃上的薄膜#160;,设薄膜厚为d;复数折射率

n=n-ik#160;,其中#160;n#160;为实数折射率#160;,#160;k#160;为消光系数#160;,薄膜的吸收系数表示为α=#160;4#160;π#160;κ/

λ.#160;透明玻璃衬底的厚度远远大于薄膜厚度#160;,衬底玻璃的折射率表示为#160;s#160;,吸收系数

αs=#160;0.#160;周围环境空气的折射率n0=#160;1.#160;当近乎垂直的入射光照射薄膜面时#160;,光在界面上

进行多重折射和反射#160;,反射光束和透射光束得到随波长分布的干涉谱.#160;对于有限厚度透

明衬底#160;,将所有次级反射均考虑在内#160;,透过率的严格表达式为

其中#160;　A′#160;=#160;16s#160;(#160;n2 #160;k2)#160;,#160;B′#160;=#160;[#160;(#160;n#160; #160;1)2 #160;k2][#160;(#160;n

#160;1)#160;(#160;n#160; #160;s2)#160; #160;k2];#160;C′#160;=#160;(#160;n2-#160;1#160; #160;k2)#160;(#160;n2-#160;s2 #160;k2)-#160;2k2(s2 #160;1)#160;]2cosφ-#160;k[2(#160;n2-#160;s2 #160;k2)#160; #160;(#160;s2 #160;1)(#160;n2-#160;1#160; #160;k2)#160;]2sinφ,#160;D′#160;=#160;[#160;(#160;n#160;-#160;1)2 #160;k2][#160;(#160;n#160;-#160;1)(#160;n#160;-#160;s2)#160; #160;k2];#160;x#160;=#160;exp[#160;-#160;α(λ#160;)#160;d].#160;干涉的信息包含

在系数#160;C′#160;中#160;,即#160;cosφ和#160;sinφ两项#160;,φ=#160;4#160;πnd/λ表示厚度为#160;d#160;的薄膜所产生的位相差.

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;用于透射谱测量的样品光学示意图

在长波区#160;,#160;k#160;接近于零#160;,#160;T#160;可近似为

:

其中

A#160;=#160;16sn2;#160;B#160;=#160;(#160;n#160; #160;1)3(#160;n#160; #160;s2)#160;;#160;C#160;=#160;2#160;(#160;n2-1)#160;#215;(#160;n2-#160;s2)#160;;#160;D#160;=#160;(#160;n#160;-#160;1)3(#160;n#160;-#160;s2)#160;.

透过率的极值为#160;:

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

式中#160;　”分别对应透射极大包络线#160;(#160;TM)#160;和透射极小包络线(#160;Tm)#160;.#160;由此可以导出长波区的折射率表达式#160;:

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

式中#160;　Y#160;=#160;2s(#160;TM-#160;Tm)/#160;(#160;TMTm)#160; #160;(s2 #160;1)/#160;2.#160;在长波段#160;,相邻极大或相邻极小的折射率相差不大#160;,相干级数#160;j#160;可以近似地由#160;j#160;λj=#160;(#160;j#160; #160;1)λj#160; 1求出.#160;相干极

大对应整数#160;,相干极小对应半整数.#160;只要实测谱图中最长波段极值的#160;n#160;和#160;j#160;确定#160;,薄膜厚度#160;d#160;和短波方向极值的#160;n(λ#160;)即可通过干涉判据

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

求得.#160;同时#160;,由于#160;x#160;=#160;exp#160;[#160;-#160;α(λ#160;)#160;d#160;]#160;,且#160;x#160;可表示

为#160;:

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

式中#160;　NM(m)#160;=#160;8#160;n2s/#160;(#160;TM(m))#160;#177;(#160;n2-#160;1)#160;(#160;n2-#160;s2)#160;.

#177;#160;分别对应#160;NM(#160;TM)#160;和#160;Nm(#160;Tm)#160;.#160;这样低吸收区的吸收系数α(λ#160;)可通过求解(6)式获得.

根据有效单谐振子理论#160;,折射率#160;n#160;和光子能量#160;h#160;ν有如下关系式#160;:

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

式中#160;　Eosc是谐振子能量;#160;Ed是色散能.#160;这一关系式对大多数共价键、#160;离子键化合物以及液体物质都适用.用(7)#160;式拟合长波区极值点得到的#160;n#160;值并外推到吸收越来越强#160;,干涉逐渐消失的短波区.#160;在短波区#160;,α很大#160;,#160;x#160;1#160;,#160;TM和#160;Tm归一为一条曲线#160;,#160;x#160;可以表达为#160;:

#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

用(8)式即可求出强吸收区(带边)的吸收系数α(λ#160;)进而通过#160;Tauc[10]作图法确定光学带隙#160;Eg.

三、#160;SiC的制备方法，应用及光学特性

#160;1、SiC薄膜的制备方法

等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)（要详细些，有图，你再查查）

PECVD法是制备a-SiC：H最常见也是较为理想的方法。PECVD法技术原理

是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光

放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度，然后通入适量的和

反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜，

通常会加入H2或心作为稀释气体。相对于其他CVD，PECVD有明显的优

点：电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，

生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度；具有高的

淀积速率；薄膜较为均匀，与衬底附着性好。

溅射法(sputtering)

溅射法也是制备硅碳薄膜一种较为常用的方法，主要包括射频溅射、磁控

溅射等。溅射法采用的靶材多种多样，如：碳化硅靶，石墨和硅粉混合烧结的

复合靶，也可以用硅靶在含甲烷的气氛中反应来制备a-SiC：H薄膜。溅射法是一

种大面积沉积a-SiC：H薄膜的手段，可控制多个工艺参数调节薄膜的组分，从而

来得到不同性能的薄膜。但是，溅射法的沉积速率较低，而且在沉积薄膜的过程

中存在较强的离子和电子辐照，薄膜组分和结构容易发生改变。

#160;#160;#160;最好再写一种#160;如热丝化学气相淀积法等

2、碳化硅薄膜的应用

a-SiC：H可用作太阳能电池的窗口材料：

窗口材料的性能对太阳能电池的特具有重要影响。为了进一步提高电池的转换效率，

要求窗口材料的光学带隙宽、电导率高，以增强光的透过率，增加内建电势和减小串联

电阻。a．SiC：H薄膜由于具有宽光学带隙和高电导率，近年来常被用做硅太阳能电池

的窗材料。

非晶硅碳薄膜发光二极管(a．SiC：H#160;TFLED)：

利用非晶硅碳薄膜优良的电致发光特性制作的非晶硅碳薄膜发光二极管

(a．SiC：H#160;TFLED)，具有结构简单、低电压驱动并与非晶硅碳薄膜场效应管在制

造工艺上兼容等优点，可以使得显示单元与驱动电路单片集成，从而实现全固体

化平板显视。同时，碳化硅也是一种新型的硅基发光材料，a-SiC：H发光的机

理是：a-SiC：H价带与导带定域态(带尾)间的跃迁及扩展态间的跃迁。

a-SiC：H绝缘栅场效应晶体管：

氢化非晶碳化硅场效应晶体管具有以下优点：较高的开关比及有效迁移

率；通、断电流变化陡；可在高温度下工作，性能稳定。氢化非晶碳化硅场效应

晶体管可以在大面积平板液晶显示器(LCD)、可擦除只读存储器(ROM)、静态随

机内存(SRAM)以及接触影像传感器等器件方面得到应用。

a-sic:H光电探测器:

由于a．SiC：H由于具有宽带隙的特点，利用其制作的光电探测器对红外

辐射无响应，因此能应用于红外背景下紫外光的探测。同时，利用a．SiC：H制作

的光电探测器暗电流小，可在高温环境中检测微光信号。

3、光学特性：主要分两部分1.薄膜的光学带隙随PECVD时衬底温度与功率的变化。2.薄膜的光致发光随Si#160;C含量比的关系及发光机制，发光机制最好有图来表述。

参考文献：

1.#160;R.#160;Swanepoel,#160;J.#160;Phys.#160;E:#160;Sci.Instrum.#160;16#160;1214（1983）

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#160;#160;#160;3．游璞，于国萍编。《光学》高等教育出版社。

#160;#160;#160;4.Light#160;absorption#160;in#160;silicion#160;quantum#160;#160;dots#160;embedded#160;in#160;sicila#160;.JOURNAL#160;OF#160;APPLIED#160;PHYSICS#160;106,#160;103505#160;(2009)

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#160;#160;#160;6.把相应的文献在添上去