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在微电子芯片中,用光互联代替电互联是克服微电子技术“互连瓶颈”,提高信息传输和处理能力的重要的可行途径。硅基单片光电集成应运而生成为当今科学研究的前沿课题之一,它的实现无疑会对计算机、通信和显示等信息技术产生重大深远的影响。探索高效的硅基发光器件是实现硅基单片光电集成最关键,也是最亟待解决的课题。它的核心问题是探索高效的硅基发光材料。目前,对于硅基发光材料的研究兴趣主要集中于低维结构硅材料,以及一些硅基化合物,如硅二氧化硅,硅氮化硅体系等。基于以上研究背景,近年来,本小组陆续开展了对低温下制备的掺氧氮化硅(a-SiN:O)薄膜光致和电致发光研究。在低温a-SiN:O薄膜中观测到强绿光发射,在以其作为有源层的电致发光器件中获得了微瓦光输出功率,0.001％外量子效率的黄绿波段的电致发光。本文基于对a-SiN:O薄膜发光的前期研究,进一步研究不同Si/N组分比对a-SiN:O薄膜发光特性的影响,获得了发光峰位可调的光致发光，并对其发光组态作了深入细致的研究。此外,利用加氢稀释生长条件优化a-SiN:O薄膜质量,从而提高了a-SiN:O薄膜发光器件的效率。取得的主要成果和创新点有：
⑴比较了在原位等离子体氧化,热氧化和自然氧化这三种氧化方式下制备的a-SiN:O薄膜的光致发光的强度和发光稳定性,发现原位等离子体氧化是使a-SiN:O薄膜具有最强光致发光和较好发光稳定性的最佳掺氧方式。同时我们发现a-SiN:O薄膜的光荧光不仅与氧有关,还与氮有关。初步推断出a-SiN:O薄膜的发光可能来源于与Si-O和Si-N键都有关的缺陷发光组态,这种发光组态极有可能以O-Si-N的键合形式存在。
⑵通过调节生长过程中SiH4/NH3的流量比R,我们在a-SiN:O薄膜中获得了可见光范围内峰位连续可调(450-600 nm)的光致发光,并将其归结于a-SiN:O薄膜中的一个新发光组态。利用紫外—可见—近红外光吸收谱、傅里叶红外透射光谱、X射线光电子能谱等实验手段,我们系统研究了此发光组态的特性。证实了这种由氧引入的新的发光组态与O-Si-N的键合结构有关,并初步确定了其在能带中的能量位置位于导带以下0.6 eV左右的禁带中。
⑶利用足量的H2稀释反应气源SiH4+NH3的方法制备a-SiN:O薄膜,大大降低了a-SiN:O薄膜的生长速率,提高了薄膜的结构性能和热稳定性。实验结果表明,在400℃下N2/O2(10％)气氛中热退火前后大氢稀释富氮a-SiN:O薄膜的PL强度无衰减。除此,以其作为有源层成功构建了高效电致发光器件(LED)。以ITO为阳极的大氢稀释富氮a-SiN:O薄膜LED的电致发光效率约是未大氢稀释样品的5.7倍。以p-Si为阳极的大氢稀释富硅a-SiN:O薄膜LED的电致发光效率约为以ITO为阳极光发射器件的20倍。
⑷在原位生长的非晶Si/SiNX多层膜结构中发现了同时依赖于电泵浦能量和光泵浦能量的光发射现象。我们构建了以a-Si/SiNX多层膜作为发光有源层的LED,随着外加正向偏置电压的增强,EL的主峰位发生从低能区域(660-740 nm)向高能区域(530 nm)的转变。同时,在He-Cd激光(325 nm)和Ar离子激光(488 nm)激发下的多层膜的PL谱同样显现出其峰位对光泵浦能量的依赖关系,且PL峰位分别与高电压和低电压驱动下多层膜LED的EL峰位相吻合。A-Si/SiNx多层膜中光发射同时依赖于电泵浦和光泵浦能量的现象是由不同的发光机制所引起。