姚永昭[1]2004年在《基于PECVD工艺的硅基光致和电致发光器件研制》文中进行了进一步梳理为实现超大规模集成电路和微机电系统(MEMS)中的光电集成，硅基发光器件的实现至关重要。由于硅是一种间接禁带半导体，使硅基器件高效发光已经成为一个很大的难题，是否能实现与现有IC工艺兼容、低成本、可实用的硅基发光器件直接影响到了光电集成电路、光学存储和逻辑以及高级显示系统的发展。本文分别提出了一种新型硅基垂直腔面光致发光器件结构和一种电致发光器件结构，并对它们进行了深入的理论分析和实验验证。它们采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法制备的非晶硅/二氧化硅交替生长的多层薄膜结构为分布式布拉格反射器(DBR)，以夹在上下两个布拉格反射器之间的非晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅p-i结为中间发光层，使整个器件可以在激光或者直流电压的激发下实现发光。为了制备上述器件，论文对a-Si:H，a-SiOx，a-SixNy，a-SiCx:H和硼掺杂p型a-SiCx:H的薄膜制备工艺和光电特性进行了深入的摸索，研究了制备工艺对薄膜相关性能的影响；论文还依据薄膜中的光传输理论对发光器件的性能做了模拟，通过大量模拟结果确定了薄膜层数、折射率、厚度、生长顺序等参数的最优值。在此基础上，制备出了DBR/a-SiCx:H/DBR结构的红光、绿光和蓝光叁种光致发光(PL)器件和DBR/ITO/p-type a-SiCx:H/a-SiCx:H/Al结构的红光和蓝光两种电致发光(EL)器件。其中，电致蓝光发射器件在18V直流电压激励下可以在483nm处发射半高宽为20nm的蓝光，强度较p-i结结构同一波长位置的EL谱提高约10倍，这已达到硅基电致发光研究领域的国际水平。光致红、绿、蓝光发射器件和电致红、蓝光发射器件的研制成功，为获得整个可见光范围内强的、高单色性的、荧光峰位可精确控制的室温光致-电致发光打下了基础，这对于实现彩色平面显示和硅基光电集成有着非常重要的意义。
王明华[2]2009年在《富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件》文中认为在硅基上实现光电单片集成,能够为微电子器件提供大带宽的光互连,同时为光电子器件提供低廉的制造成本,这使得硅基光电子成为国际上半导体领域研究的热点之一。晶体硅由于间接带隙的能带结构而不适用于制备光学有源器件,因此缺少与集成电路制造工艺兼容的硅基光源一直是制约硅基光电子发展的首要问题。基于量子限域效应,多种硅纳米结构的发光材料和器件表现出优于体硅材料的发光性能,为硅基光源的探索开辟了道路。本文主要针对两类硅纳米结构:富硅氮化硅(SiNx)和纳米硅多层量子阱(Nano-Si MQW),薄膜的制备和发光性质,以及基于这两类结构的发光器件(LED)进行研究,取得如下创新的结果:1)采用等离子体增强化学气相沉积法生长了发光峰位可调的SiNx薄膜。通过控制前驱体SiH_4和NH_3的流量比实现了对薄膜中硅含量的调整。SiNx薄膜的折射率随着硅含量的增加而变大,光学禁带宽度随着硅含量的减小而增加。进一步研究指出,SiNx的光致发光(PL)来自其带尾态之间的跃迁:其峰位随着光学禁带宽度的增加而蓝移,发光效率相应升高;SiNx的荧光寿命在ns级别,光子的能量越高,荧光寿命越短。2)热处理后SiNx的发光性质主要取决于薄膜中的硅含量。在硅含量较高的样品中,随着热处理温度的升高PL强度迅速下降;在硅含量较低的样品中;PL是由氮化硅的带尾态和硅悬挂键(K中心)缺陷态这两类荧光组成的;硅含量适中的SiNx薄膜,热处理后荧光最强,其荧光峰位和强度随着热处理温度的演变趋势表现出与硅量子点(Si-QD)的相关性,最佳热处理温度为800℃。3)在ITO/SiNx(50nm)/p-Si器件上得到SiNx的电致发光(EL),其发光峰位在610～670 nm之间,功率转化效率约为10~(-6)。在3.8V 100mA下,开始测试到SiNx器件的EL信号,发光图形呈现不均匀的点状,发光谱线随着电压的增加而蓝移,并不随着SiNx中Si的含量发生明显的变化。通过电学输运模型拟合器件的电流电压曲线,发现SiNx的载流子输运符合Pool-Frenkel发射模型。分析SiNx的能带结构图和载流子输运机制,发现SiNx的EL主要来自K中心捕获的电子和价带带尾态中的空穴的复合。4)交替沉积5个周期的富硅氧化硅(SRSO)和SiO_2薄膜,随后进行高温热处理使Si-QD从SRSO层中析出,获得了Nano-Si MQW结构。采用SRSO/SiO_2多层结构模型拟合椭偏光谱测试数据,获得了结构中各子层的厚度信息,SRSO和SiO_2层的厚度在2～4nm的范围内。热处理后的透射电镜显微照片显示,Si-QD在SRSO层中形成。Si-QD的大小、Nano-Si MQW的PL峰位与SRSO层的起始厚度有直接的对应关系。5)基于标准的CMOS工艺制备了Nano-Si MQW LED,其功率转化效率为0.04%,比单层SRSO LED高17倍以上。LED工作在3～5V的电压范围内,在1.29V的驱动电压下EL开始被探测到。这一电压值低于从Si向SiO_2注入电子或空穴的势垒高度,说明此时的EL是由直接遂穿进入Si-QD的电子和空穴复合产生的。随着驱动电压的增加,载流子的直接遂穿被Fowler-Nordheim热电子遂穿所取代,LED发光效率下降。制约LED发光效率的因素是不平衡的电子和空穴注入。由于注入的电子电流大于空穴电流,使辐射复合集中发生在Nano-SiMQW中靠近p型硅衬底的一侧,而靠近n型多晶硅电极的Si-QD很可能只起到输运载流子的作用,并不参与发光。
王锋[3]2014年在《局域表面等离子体增强的氮化硅器件电致发光性能研究》文中研究指明硅基光互连技术是指利用现行成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺研制硅基光子器件,代替电子器件实现信息的高速传输。而高效硅基光源的制备是硅基光互连应用中的难点之一,其中,氮化硅薄膜由于其优异的发光性能,成为了制备硅基光源的备选材料之一。然而,氮化硅薄膜基器件的电致发光效率依然较低,为此,人们在改善氮化硅薄膜基电致发光器件效率上做了大量的努力。本文通过在氮化硅薄膜基器件中引入银纳米颗粒实现了器件电致发光效率的提升,同时对器件电致发光的来源问题进行了详细的研讨,并在此基础上实现了器件电致发光波长的调制。本文的主要创新结果如下：(1)解决了氮化硅薄膜基器件电致发光的来源问题。通过对氮化硅薄膜基器件电致发光峰位以及不同注入电流/电压下器件的载流子输运机制的变化的详细研究,解决了氮化硅薄膜基器件两个电致发光峰的来源问题。其中,短波长的峰(P1峰)来源于陷阱在K中心的电子和位于=N-带尾态上的空穴之间的复合,而长波长的峰(P2峰)则来源于位于导带带尾态的电子和局域在≡SiO中心的空穴之间的复合。(2)提出了氮化硅薄膜基质中激子与局域表面等离子体(LSPs)之间的耦合模型,并详细研究了Purcell因子与银纳米颗粒尺寸、氮化硅薄膜基质中激子的能量以及激子与LSPs之间的距离等参数之间的关系。并且在确定这些参数之间关系的基础下,进一步通过上述耦合模型计算获得了氮化硅薄膜中激子的平均位置。(3)通过银纳米颗粒尺寸的优化,实现了氮化硅薄膜基器件电致发光效率近一个数量级的提升。通过对影响器件外量子效率的因素的分析,确定其电致发光效率的提升主要源自器件光抽取效率的提升。对于银纳米颗粒置于氮化硅薄膜上面的结构器件,光抽取效率的提升主要源自器件ITO电极的表面粗糙化。而对于银纳米颗粒置于氮化硅薄膜下面的结构器件,由局域表面等离子体共振引起的背散射的增强对光抽取效率的提升也有一定贡献。同时,内量子效率的提高和载流子注入效率的改善也对器件电致发光效率的提升有一定的贡献。(4)提出了一种研究引起器件效率衰减现象主要原因的方法。在参比样器件中我们观察到了电致发光效率衰减的现象,而对氮化硅薄膜进行高温长时间热处理或加入银纳米颗粒的器件中,这一效率衰减现象得到了有效较小。我们通过对产生光功率主导过程的分析(Z因子的确定),确定了引起这一效率衰减现象的主要原因是Auger非辐射复合过程,而载流子过注入对这一效率衰减作用甚微。(5)通过银纳米颗粒尺寸以及注入电流/电压的调节实现了氮化硅薄膜基器件电致发光波长的调制,并确定了引起器件电致发光波长移动以及P1、P2峰相对强度变化的主要原因。通过对银纳米颗粒周围增强的局域电场强度进行计算,确定了引起P1峰和P2峰峰位和强度随银纳米颗粒尺寸变化的主要原因为银纳米颗粒周围增强的局域电场强度随银纳米颗粒尺寸的变化。此外,注入电流对电致发光波长也有一定的调制作用,但效果没有银纳米颗粒尺寸的调节显着。
梁兴勃[4]2008年在《硅基纳米金刚石膜生长及其发光器件》文中进行了进一步梳理近年来,纳米金刚石膜(NDF)的生长技术、生长机理及其应用引起了人们巨大的研究热情,成为了目前CVD金刚石膜研究中的热点之一。金刚石具有5.47eV的宽禁带和80meV的高激子束缚能,在紫外和可见发光器件方面具有独特的优势。众所周知,硅是最重要的半导体材料,它是集成电路的基础材料。然而,硅中的非辐射复合效应非常严重,很难直接用于制备发光器件。因此,将金刚石和硅的各自的优势相结合,形成硅基金刚石发光器件,不仅在理论上有重要的探索意义,而且在硅基光电子领域有良好的应用前景。本文探索了在低成本的PECVD和热丝CVD设备中经济、有效、大面积生长NDF的方法,在此基础上进一步研究了具有不同颗粒尺寸的NDF的热稳定性和发光特性,并制备了硅基diamond/Si异质结及金刚石的MIS器件,对这两类器件的电致发光特性及载流子输运机制进行了系统的研究,取得如下有创新意义的结果:(1)采用常规的13.56MHzr.f-PECVD设备和CO/H_2混合气体,在较低的衬底温度(500℃)和反应压强(200-300Pa)条件下,实现了Si衬底上纳米金刚石薄膜的大面积(5×5cm~2)均匀沉积。研究发现:沉积纳米金刚石膜的最佳CO/H_2比例为12∶1,在此条件下制备的纳米金刚石膜致密均匀、平均颗粒尺寸约20-30nm,表面粗糙度低于15nm,具有良好的膜-衬间结合力。(2)发展了一种在不加偏压和气源中无Ar等惰性气体的条件下,利用热丝CVD设备在低气压(～125Pa)下生长纳米金刚石膜的技术,并成功制备出了表面光滑、具有较高的光透射率的超薄纳米金刚石膜。分析和讨论了反应压强对金刚石膜的生长过程、颗粒尺寸、和生长速度的影响,阐述了低气压下纳米金刚石膜的生长机理,提供了一种新的纳米金刚石膜的制备途径。(3)利用快速热处理(RTP)方法比较性地研究了亚微米、纳米金刚石膜、和类金刚石碳膜的热稳定性。研究表明:亚微米金刚石膜在900℃以下具有良好的热稳定性,经1100℃以上RTP处理后薄膜表面发生少量石墨化,晶粒略有长大;纳米金刚石膜经800℃RTP处理后出现晶界处物质的减少,经1200℃RTP处理后颗粒间发生团聚,同时在薄膜表面生成大量非晶SiO_x(1＜x＜2)纳米丝;类金刚石碳膜在500℃以下具有较好的热稳定性;700-900℃RTP处理后表面生成了金刚石纳米颗粒,1100-1200℃RTP处理后表面生成了Sio_x(1＜x＜2)纳米丝和SiC过渡层。对上述现象的产生过程进行了细致分析,阐述了RTP作用下SiO_x(1＜x＜2)纳米丝、纳米金刚石颗粒、以及SiC过渡层的生成机理。(4)利用光致发光(PL)谱研究了纳米金刚石膜中430nm蓝光和530nm绿光发光峰强度随金刚石平均颗粒尺寸的变化规律:即随金刚石膜中颗粒尺寸的减小,430nm蓝光峰强度逐渐增大而530nm绿光峰强度迅速降低。结合这一现象对目前学术界已有的叁种对530nm绿光峰的发光来源的解释进行了验证,指出530nm发光峰并不是由薄膜中的非有意硼掺杂、载流子在无定形碳中的复合、以及金刚石膜的表面氢化所引起。金刚石膜的低温-室温阴极射线(CL)谱和单色CL成像显示低温530nm发光峰主要由四个位于483、501、513和532nm的尖锐发光峰构成,且在金刚石的{111}晶面强度最高。(5)利用重掺和轻掺的n型和p型(即,n~+、n~-、和p~+)硅片,分别与具有不同颗粒尺寸的纳米金刚石薄膜形成diamond/Si异质结,首次实现了diamond/Si异质结的室温电致发光。研究发现:diamond/n~+-Si异质结在足够高的正向偏压下发生电子隧穿效应,并产生与金刚石膜中缺陷相关的可见发光,而在反向偏压下几乎不发光;diamond/n~--Si异质结在正向偏压下几乎不发光,而在足够高的反向偏压下产生630、740和757nm的尖锐发光峰和较宽的缺陷相关的可见发光;diamond/p~+-Si异质结在正向偏压足够高时产生较弱的与金刚石膜中缺陷相关的可见发光,在足够高的反向偏压下产生630、740和757nm的尖锐发光峰和较宽的缺陷相关的可见发光。通过对比分析,从这些异质结的电流—电压特性和它们的能带图出发,阐明了上述电致发光现象的物理机制及载流子输运特性。(6)发现了基于CVD金刚石膜的MIS器件在高电压下激发N_2微等离子体发光的现象。研究表明:当对Au/SiO_x/diamond/n~+-Si和Au/diamond/n~+-Si两种MIS结构施加正向偏压时,对应的I-V特性曲线中出现负阻现象,进一步增大电压后丌始出现N_2微等离子体发光,同时伴随有N_2微等离子体发光的系列半频峰以及强度较弱的与金刚石膜中缺陷相关的可见发光。通过负阻模型对金刚石膜MIS器件中的电子输运特性进行了分析,并指出N_2微等离子体是由于MIS器件在高电压下发射出足够高能量的电子激发器件表面附近的空气所产生的。
袁志钟[5]2007年在《离子注入制备硅基发光材料及其性能研究》文中提出随着集成电路按照摩尔定律继续朝着尺寸更小、处理速度更快、成本更低的方向发展,芯片中的器件集成度越来越高,相应的金属互连结构的复杂程度和长度都达到了惊人的水平,随之带来的层间干扰、能量耗散、信号延迟等问题越来越严重;而且特征尺寸的缩小,将导致平面CMOS的寄生电阻和电容将超过其本身的沟道电阻和电容。另外,全球光通讯的飞速发展,使得短距离信号传输所使用的金属互连成为信号传输“瓶颈”。再有,集成电路的发展不仅体现在器件集成度的提高,而且反映在应用范围的扩大,例如在探测、力学、流体等方面的拓展应用,特别是在光学方面的应用。所有这些问题和挑战都需要硅基的光电集成系统来解决,而硅基发光器件成为了这类系统的关键,也是本论文的研究内容。本文利用离子注入工艺制备了硅基发光材料和器件,包括硅pn结、稀土离子Tb~(3+)注入SiN_x和SnO_2薄膜,并研究其发光性能,得到了以下创新性结果:首先,通过离子注入和退火的方法制备了不同的硅pn结,对其进行低温、室温光致发光的研究,利用透射电镜观察了硅pn结中的缺陷,并且对硅pn结进行了室温电子束诱生电流的测试。研究发现:硅pn结的发光和注入离子的类型没有关系,其发光强度随着离子注入剂量的增大而先增强后减弱。对于退火处理,常规炉退火比快速热退火更能得到比较强的发光,而氢退火可以进一步提高发光强度,并且退火温度应该控制在950～1100℃范围内。低温下,硅pn结束缚激子的发光峰得到了增强。经过高温退火后,在硅pn结的离子注入区域有位错环存在,该区域在室温下有载流子复合,而没有位错本身的发光峰,证明了位错环边缘的量子限域效应是硅pn结室温发光的主要机制。其次,通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)的方法制备SiN_x薄膜,并用离子注入在薄膜中引入Tb~(3+)离子,研究了退火温度和测试温度对该SiN_x:Tb~(3+)体系发光性能的影响。通过控制PECVD工艺中反应气体的比例,沉积了不同Si含量的SiN_x薄膜,并研究了这些不同的SiN_x薄膜对Tb_(3+)发光的影响。结果表明:在室温下SiN_x:Tb~(3+)体系能够得到Tb~(3+)离子的~5D_4→~7F_k(k=6-3)系列的发光峰,其发光强度随着退火温度的上升而增强(≤1000℃),该体系的发光几乎没有温度淬灭效应。进一步地,薄膜中含有较少的氧、缺陷态能量传递、载流子辅助以及较短的发光寿命等因素是SiN_x:Tb~(3+)体系中Tb~(3+)发光增强的原因。对于富硅的SiN_x薄膜,由于该类薄膜在高温退火时容易被氧化,并且有纳米Si颗粒从SiN_x基体中析出,导致了Tb~(3+)发光强度的降低。最后,利用高温氧化和RMS(反应磁控溅射)的方法制备了不同的SnO_2薄膜,表征了这些薄膜的微观形貌并分析了薄膜的形成机理,研究了SnO_2薄膜室温的光致和电致发光性能;另外利用离子注入和退火制备了SnO_2:Tb~(3+)薄膜,并表征了室温下它们的发光性能。结果表明:金属Sn薄膜在经过1000℃的高温氧化后得到纯的四方金红石结构SnO_2薄膜,存在位于590 nm的氧空位等缺陷相关的发光峰,而且在氧气中长时间退火会导致该发光峰的减弱。RMS制备的SnO_2薄膜在经过高温退火后也可以观察到590 nm的缺陷发光。正向偏置情况下,SnO_2╱p-Si异质结在可获得电致发光。对于SnO_2:Tb~(3+)薄膜,经过1000℃的高温退火后,发现了SnO_2的氧空位缺陷发光和Tb~(3+)发光共存的现象。另外,通过磷扩散工艺,可以提高SnO_2:Tb~(3+)薄膜中Tb~(3+)的发光,并抑制SnO_2的缺陷发光。
金璐[6]2013年在《掺铒富硅氧化硅薄膜光学性能研究》文中指出硅基光子芯片结合了光电子和微电子的优点,不仅能以光子作为信息载体提高器件的传输速度、减小器件能耗,还能利用现有的硅集成电路工艺降低器件的制造成本,实现大规模的商业化应用,是国际研究的重要前沿领域。然而,可集成于芯片内部的硅基光源仍然缺失,制约了硅基光子学的发展。掺铒富硅氧化硅薄膜(SROEr)是实现硅基光源的有效途径之一,它不仅可与目前的硅集成电路工艺兼容,而且铒的发光峰(1.54μm)正好位于光纤的最低传输损耗窗口,引起了国际上的广泛关注。但是SEORr中铒的发光效率低,如何实现其高效发光是目前亟待解决的关键问题。本文通过制备工艺的改进在SROEr薄膜中引入了大量的纳米硅(Si NCs)和稳定的发光中心,在实现Si NCs和发光中心对铒的敏化作用的同时,获得了发光性能优异的SROEr薄膜。本文的主要创新结果如下：(1)通过对富硅氧化硅基体(SRO)制备工艺的研究,获得了发光性能好的SRO薄膜。采用不同方法(电子束蒸发法和磁控溅射法)以及后续热处理工艺(退火时间、温度等)的优化,制备了组份及微结构可调的SRO薄膜。其中,采用电子束蒸发法制备的SRO薄膜疏松、多孔,而采用磁控溅射法制备的SRO薄膜则比较致密。研究发现：疏松、多孔的SRO薄膜中存在大量的发光中心和Si NCs,而且薄膜中的Si NCs密度高、质量好,其发光性能优于致密的SRO薄膜。(2)在SROEr薄膜中实现了发光中心和Si NCs发光的可调性。采用电子束蒸发法制备了不同富硅量的SROEr薄膜。高富硅量薄膜中Si NCs尺寸较大,基体非晶网络中的发光区域小,Si NCs的发光占主导；当薄膜富硅量较低时,基体非晶网络中存在大量稳定的、与Si NCs共存的发光中心(主要是Si=O双键),发光中心的发光占主导；薄膜中富硅量适中时,发光中心和Si NCs的发光强度相当。(3)实现了含稳定发光中心(主要是Si=O双键)的SROEr薄膜的制备,研究了该发光中心和Si NCs对铒的共同敏化作用。采用电子束蒸发法制备了含稳定发光中心的SROEr薄膜,这一稳定的发光中心和Si NCs都能作为铒的有效敏化剂,增强铒的发光。当发光中心和Si NCs的发光强度相当时,敏化剂与铒之间可实现最佳耦合,铒的发光性能最优。(4)通过对SRO及SROEr薄膜制备工艺的控制,实现了薄膜中Si NCs微观结构和尺寸的调控,研究了其对铒发光的调制作用。采用磁控溅射法制备了含不同富硅量的SRO以及SROEr薄膜。富硅量较低的薄膜中,SiNCs尺寸较小,Si NCs颗粒之间相互分离。而在富硅量较高的薄膜中,尽管Si NCs对铒的能量传递效率较高,但是Si NCs尺寸较大,且Si NCs颗粒之间相互交迭,这会引入非辐射复合降低Si NCs以及铒的发光强度。(5)阐述了掺铒浓度高的SROEr薄膜中铒发光饱和的原因。研究指出：高掺铒浓度的SROEr薄膜中有大颗粒硅酸铒的析出,导致Si NCs与铒的耦合效率降低,铒的发光饱和。
徐凌波[7]2014年在《掺铒富硅氮氧化硅的敏化发光研究》文中研究表明硅基光电集成可以为微电子器件提供高速、大带宽、低串扰的光互连,因此成为目前半导体研究领域的热点之一。但是,与集成电路工艺相兼容的硅基光源的缺失是制约硅基光电集成发展的一大难点。铒离子掺杂的硅基发光材料是实现硅基光源的重要途径之一,它的制备过程与集成电路工艺兼容,其发光对应于光纤通讯的最低损耗波长,因此得到了广泛的关注。但是铒的激发截面很小,如何实现其高效发光是目前研究中亟需解决的问题。本文针对硅基掺铒富硅氮氧化硅材料,系统研究了其中铒离子的敏化机理及影响因素,对其光学性能进行一系列优化。并基于光学性能的研究,成功制备出了电致发光器件。本文的主要创新结果如下：(1) 解释了富硅量对掺铒富硅氮氧化硅薄膜中铒发光的影响,并对其进行优化。研究发现当富硅量较低时,硅纳米晶密度随富硅量提高而提高；富硅量较高时,硅纳米晶之间会相互交迭,其密度随富硅量提高而降低；同时,提高薄膜富硅量会降低光学活性铒离子的浓度。研究还发现在经过高温热处理之后,薄膜内的非辐射复合中心会被有效消除,提升富硅量并不会导致铒发光寿命的下降。所以,在中等富硅量样品中有最优的铒离子发光。(2) 发现随热处理温度的不同,在掺铒富硅氮氧化硅中存在两种敏化中心。当热处理温度低于800℃时,薄膜内没有硅纳米团簇的析出,局域态是主要的敏化中心；当热处理温度高于800℃时,局域态逐渐消亡,硅纳米团簇开始析出并成为主要敏化中心。研究发现局域态敏化铒离子浓度是硅纳米团簇的两倍以上。制约低温热处理样品中铒离子发光的主要因素是较低的荧光寿命。(3) 研究了掺铒富硅氮氧化硅的变温光致发光谱,证明其温度淬灭效应非常微弱。研究发现薄膜内存在铒离子的非辐射复合中心,其密度及能级位置随热处理条件而改变。同时发现,从局域态及硅纳米晶向铒离子传递能量的过程需要声子辅助。(4) 成功制备出开启电压低于5 V的掺铒富硅氮氧化硅电致发光器件。系统研究了器件的电输运机制,发现不同的热处理条件会改变薄膜内的缺陷态密度及能级结构。指出掺铒富硅氮氧化硅器件中铒离子的电致发光并不是由于热载流子的碰撞离化作用,而应该是一个敏化过程,这其中局域态起到了重要的作用。
刘磊[8]2010年在《常压低温等离子体沉积多孔硅基纳米颗粒薄膜的过程研究》文中研究指明常压等离子体增强化学气相沉积(Plasma-enhanced chemical vapordeposition)是使原料气体在电场中成为等离子体状态,产生化学上非常活泼的激发态分子、原子、离子和原子团等,促进化学反应,在衬底表面上形成薄膜的技术。本论文采用自行设计组装的常压介质阻挡放电等离子体增强化学气相沉积装备研制具有荧光特性的多孔硅基纳米颗粒薄膜。与传统多孔硅电化学湿法制备技术比较,本APECVD方法具有下列特点:衬底适应性好,成膜温度较低,并可在非耐热有机衬底上成膜;放电形式简单,设备成本较之低气压等离子体设备大大降低;自行设计的交叉梳状式电极,耗能较低,并且产生的等离子体区域稳定均匀,所形成的气体通道利于反应气体充分均匀反应,可以达到较优的沉积效果;符合光电子器件干法制备的要求,易于与现有微电子工艺结合。本实验在夏磊学长的实验基础上有所改进,引入脉冲负偏压与在位退火的方法调节薄膜的微观结构形态和性能,制备了新颖结构和蓝紫光发光特性的多孔硅基纳米颗粒硅基薄膜,并从机理上初步分析了放电条件和薄膜的沉积过程的关系。本文首先研究了沉积条件尤其是偏压占空比与成膜之间的关系。利用硅烷(SiH_4)以及氩气、氢气的混合气体(其中氩气95%氢气5%),通过APECVD方法制备薄膜,整个实验中,介质阻挡放电频率在70-80kHz范围,电压值在6-8.5kV范围。扫描电镜(scanning electronmicroscope—SEM)测试结果发现,应用脉冲负偏压后,硅基薄膜的表面形态结构由较为紧密的颗粒团聚状态转变为多孔纳米絮状结构;且随着占空比的减小,多孔结构越加明显。利用红外(Fourier transform infrared spectroscopy-FTIR)与拉曼光谱(Raman spectrum)研究了沉积薄膜的化学结构与特性,FTIR研究的结果显示,1070cm~(-1)与800cm~(-1)处分别有较强的Si-O-Si的伸缩振动吸收峰和弯曲振动峰,说明沉积薄膜有明显的Si-O_x结构。而且,随占空比的增大,1070cm~(-1)与800cm~(-1)处Si-O-Si的振动峰加强,而930cm~(-1)的Si-H弯曲振动降低。说明占空比增加,Si-O-Si键的结合越来越明显。Raman测试的结果表明,在低的占空比条件下,薄膜中包含非晶硅和氧化硅。但是当占空比升高到0.702时,非晶硅消失,氧化硅成分增加。在高占空比条件下,Si-O-Si基团对应的峰位出现蓝移,说明氧化硅颗粒逐渐变小。沉积过程的发射光谱(Optical Emission Spectrum-OES)结果表明,在412nm出现SiH~*特征峰,证明放电沉积过程中存在不同程度的硅烷裂解。将反应过程中加在沉基区域的脉冲负偏压固定在-300V,当占空比从0.162增大到0.864时,随着占空比的增大,薄膜的红外光谱显示Si-O-Si在1070cm-1伸缩振动的吸收峰与800cm~(-1)的弯曲振动峰都增大,而930cm~(-1)的Si-H弯曲振动降低。说明占空比增加,Si-O-Si键的结合越来越明显。最后简要分析了薄膜沉积的机理。对纳米多孔硅基薄膜的光致荧光(Photoluminescence)进行了分析。发现,该多孔硅基薄膜的光致发光的谱线带主要集中红光区,在位退火后蓝紫光区出现新的峰,主峰值分别在700nm与400nm附近,并且峰较窄,从430nm起存有较明显的宽峰谱带,同时,随着偏压的增加,薄膜的发光强度也有着明显地增加。根据SEM的表面结构的结果分析,此光致荧光现象对应着不同结构产生的多种发光机理。该发光主要是由于量子限域效应和氧缺陷所引起。
陈全海[9]2007年在《氮化硅薄膜的光吸收及光致发光性质研究》文中研究指明氮化硅薄膜是一种多功能材料,在许多领域有着广泛的运用:在微电子材料及器件生产中,氮化硅作为钝化膜、绝缘层和扩散掩膜;在硅基太阳能电池中,氮化硅用作钝化膜和减反射膜;在硅基发光材料中作为硅纳米团簇的包埋母体等等。本文在系统综述氮化硅薄膜的性质、应用及多种制备方法的基础上,应用射频磁控溅射系统,以氩气和氮气为气源,控制氩气流量为16sccm,溅射功率为100W,衬底温度为100℃下分别在硅衬底和玻璃衬底上,在不同氮气流量下制备了氮化硅薄膜,研究了氮气流量对氮化硅薄膜性质的影响。通过红外光吸收(FTIR)分析,X射线衍射(XRD)分析,紫外-可见光透射谱(UV-VIS),室温光致发光谱(PL)和光致发光激发谱(PLE)等多种检测手段,对薄膜材料的微观结构和光学特性进行了表征和分析,结果如下:(1)Ar/N_2比对氮化硅薄膜特性有显着的影响,薄膜的光学带隙随Ar/N_2的增加而减小,在可见光范围内薄膜样品具有很高的透过性。(2)在a-SiN_x薄膜的透射谱中出现了基本吸收区,吸收边出现了类似于非晶硅的次带吸收,并将此结果归因于硅颗粒表面的硅悬键。(3)在可见光范围内薄膜有很好的光致发光性质。在381nm波长光的激发下,SiN_x薄膜的主要发光峰位位于520nm(2.38eV),553nm(2.24eV),573nm(2.16eV),587nm(2.11eV)和627nm(1.98eV)。本文提出了氮化硅薄膜光致发光的能隙态模型,并用此模型解释了氮化硅薄膜光致发光的原理。
邬洋[10]2008年在《磁控溅射法所沉积SiN_x非晶薄膜的结构分析及发光特性研究》文中研究表明近几十年,硅基纳米材料已经迅速发展成为新一代的光电信息材料,在发光器件和光电子集成技术中都具有极其重要的应用。由于量子限域效应,镶嵌在氧化硅或者Si/SiO_2超晶格中的纳米硅(Nc-Si)已经成为研究的热点和前沿。尽管如此,由于氮化硅是一种宽带隙半导体(带隙约为5.3eV),具有较强的光发射,并且比二氧化硅窄的带隙更有利于载流子注入,所以非晶SiN_x薄膜已经成为了研究硅基复合物发光的理想候选材料。本文采用磁控溅射法在单晶硅衬底上生长非晶SiN_x薄膜,对SiN_x非晶薄膜的沉积机制以及薄膜结构进行了研究。我们结合傅立叶变换红外吸收(FTIR)光谱,对非晶SiN_x薄膜的吸收谱带进行分析发现:随着溅射功率的增加,Si-N键的吸收谱带逐渐红移;退火后,又逐渐蓝移,在足够高的温度下SiN_x发生了相分离,生成了Nc-Si和Si_3N_4。由X射线光电子能谱(XPS)的分析可知,随着溅射功率的提高,SiN_x薄膜的化学计量比(x)减小,在薄膜中先后形成Si-N-Si_3、Si-N_2-Si_2、Si-N_3-Si和Si-Si_4等键合结构。通过对薄膜光致发光(PL)光谱的分析,我们认为其发光来源于导带、价带、硅悬挂键和N-Si-O等附加能级之间的电子辐射跃迁;最后对薄膜的电致发光特性进行了初步的研究。
参考文献：
[1]. 基于PECVD工艺的硅基光致和电致发光器件研制[D]. 姚永昭. 清华大学. 2004
[2]. 富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件[D]. 王明华. 浙江大学. 2009
[3]. 局域表面等离子体增强的氮化硅器件电致发光性能研究[D]. 王锋. 浙江大学. 2014
[4]. 硅基纳米金刚石膜生长及其发光器件[D]. 梁兴勃. 浙江大学. 2008
[5]. 离子注入制备硅基发光材料及其性能研究[D]. 袁志钟. 浙江大学. 2007
[6]. 掺铒富硅氧化硅薄膜光学性能研究[D]. 金璐. 浙江大学. 2013
[7]. 掺铒富硅氮氧化硅的敏化发光研究[D]. 徐凌波. 浙江大学. 2014
[8]. 常压低温等离子体沉积多孔硅基纳米颗粒薄膜的过程研究[D]. 刘磊. 东华大学. 2010
[9]. 氮化硅薄膜的光吸收及光致发光性质研究[D]. 陈全海. 西北师范大学. 2007
[10]. 磁控溅射法所沉积SiN_x非晶薄膜的结构分析及发光特性研究[D]. 邬洋. 北京交通大学. 2008
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