Zn_2SiO_4/Si发光薄膜与器件研究

【摘要】：信息技术的发展要求实现从微电子集成到光电集成乃至光子集成的飞跃。由于硅集成电路工艺非常完善,因此硅基光电集成成为重点研究对象。要实现硅基光电集成,关键是寻找性能优良且能与硅集成电路工艺相兼容的硅基发光材料。掺杂硅酸锌(Zn_2SiO_4:M,M为稀土金属或过渡金属元素)发光材料由于发光效率高、稳定性好、可通过改变掺杂元素获得多种发光波长以及具有制备工艺可与硅集成电路工艺兼容等优点,近年来在硅基发光材料与器件的研究中开始得到研究人员的重视。不过,有关硅基硅酸锌发光膜的系统性的研究工作不多,因此有必要系统地研究硅衬底上生长掺杂硅酸锌发光薄膜的制备技术、发光特性以及电致发光特性。 本论文的工作中,在生长有SiO_2的Si衬底上利用旋涂含锌的溶胶后高温热处理的方法制备了硅酸锌以及掺杂硅酸锌薄膜,系统地研究了发绿光的Zn_2SiO_4:Mn薄膜的各种性质以及影响薄膜发光强度的各种因素。另外还通过掺杂其他稀土元素获得了其他波长的发光薄膜,最后以硅集成电路平面设计思想为指导,制备了一个以Zn_2SiO_4:Mn为发光层的硅基电致发光原型器件。 本论文的结果表明掺杂硅酸锌发光薄膜可以用来制作硅基电致发光器件。这种薄膜具有性能稳定、发光波长可选、制备工艺与硅集成电路工艺兼容等特点,可以预计它在某些硅基光电集成器件中具有一定的应用前景。 本论文的主要结果包括: 1.研究了在硅片上生长Zn_2SiO_4以及Zn_2SiO_4:Mn发光薄膜的工艺参数以及工艺参数对其性质的影响,发现通过简单的高温反应可以使硅片表面的ZnO转变为Zn_2SiO_4。薄膜小于800℃的高温处理后仍为ZnO,在900～1000℃下处理后为ZnO和Zn_2SiO_4两相共存,1050℃以上高温处理后则全为Zn_2SiO_4。影响薄膜发光性能的因素主要有物相成分和Mn的掺杂浓度。 2.虽然硅酸锌薄膜中Mn~(2+)掺杂浓度在小于10mol%时,Mn~(2+)均可替代硅酸锌中的Zn~(2+)处于晶格位置,成为发光中心,但当Mn~(2+)浓度超过2mol%时,出现了浓度猝灭效应,使得发光膜的发光强度下降,因此最佳Mn~(2+)的浓度为2mol%。Zn_2SiO_4:Mn(2mol%)薄膜的光致发光波长为525nm,余辉时间约为21ms。