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随着微电子技术的发展,集成电路的器件尺寸不断减小,硅微电子工业已受到来自物理、技术和经济三个方面的限制和挑战。为克服器件物理和互连技术的限制,人们试图将信息载体由电子转换为光子,即实现硅基光电集成技术,以期大大提高器件的物理性能和信息存储、处理与传输的能力,将信息技术推向一个全新的阶段。然而,由于体硅是一种间接带隙半导体,其发光效率很低,从而限制了硅在发光器件中的应用。
纳米硅/氧化硅系统作为一种很有潜力的硅基发光材料,已引起了国际上许多研究小组的重视和研究。迄今,人们已在这种结构中观测到了光学增益和电泵浦的室温受激光发射现象。然而,纳米硅/氧化硅系统的电致发光仍然效率不高,主要存在纳米硅的密度不够高、尺寸和分布难控制、载流子注入效率不平衡、发光机制复杂和受非辐射复合影响等困难。
在本文中,我们制备出纳米硅量子点的尺寸与分布可控的nc-Si/SiO2多层膜,对其进行了微结构表征,并研究了其室温光致发光。在以上的基础上,着重研究了nc-Si/SiO2多层膜的室温电致发光特性,并初步探讨了发光机理。最后,初步探索了磷掺杂对于nc-Si/SiO2多层膜的室温电致发光特性的影响。
本论文主要取得了以下结果:
1.利用PECVD薄膜淀积技术和等离子体氧化技术、快速热退火和准静态炉子退火等技术方法制备出尺寸可控的nc-Si/SiO2多层膜。利用Raman、TEM等手段对薄膜结构进行了结构表征,证明确实形成了的界面清晰、平整的纳米硅/二氧化硅多层结构和小于5nm的纳米硅晶粒。另外,在室温下观测到了其光致发光信号,发光峰峰位在750nm附近,并且不随子层厚度发生改变,可归结为纳米硅/二氧化硅界面处Si=O键引起的发光。
2.考察了nc-Si/SiO2多层膜电致发光的一般特点,讨论了不同掺杂浓度的p型硅衬底对于样品电致发光的影响,并探讨了nc-Si/SiO2多层膜电致发光的机制,最后初步研究了器件的侧向出光问题。发现nc-Si/SiO2多层膜的电致发光具有以下几个基本特点:(1)对于p-Si衬底上的多层膜样品,只有加正向偏压时才会发光,随着偏压的增加,发光峰位一般不发生变化,但发光强度增大,发光效率也明显升高;(2)发光峰主峰大约在500-650nm之间,半高宽可达几十至200纳米。研究发现p硅和p+型硅衬底对样品的电致发光有很大影响,p衬底上的样品的工作电流小,外量子效率较高;p+衬底上的样品有低至2V的开启电压,功率转换效率更高一些。我们初步讨论了nc-Si/SiO2多层膜的电致发光的发光机制。将650nm左右的光归结为纳米硅与二氧化硅界面态的发光,将550nm左右的归因于热电子的碰撞离化产生大量的电子空穴对的直接辐射复合。最后,我们从实验上观测到了侧向出光,其发光的积分强度可达正面出光的15倍,这可以归结为侧向出光避免了正面出光时的全反射、铝电极的反射等对出射光的损耗,并受益于nc-Si/SiO2多层膜的横向光波导效应对侧向出光的增强作用。
3.尝试了在纳米硅中进行磷掺杂并测试了其室温下的电致发光谱,初步研究了掺杂多层膜样品的电致发光特性并与本征情形进行比较。结果发现:
(1)掺杂发光器件的开启电压和开启电流明显降低,开启电压可低至3V,且掺杂浓度越高,开启电压和电流越低。(2)掺杂样品的外量子效率明显地高于本征样品,且掺杂浓度越高,外量子效率越高。同为5V工作电压下,高掺杂浓度的样品外量子效率是本征样品的3.6倍。随着偏压的增加,掺杂样品的外量子效率的增加速率大于本征样品,而且掺杂浓度越高的样品外量子效率随电压增加而增大的速率越快。