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《浙江大学》 2009年
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富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件

王明华  
【摘要】: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。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O431.2

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