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随着信息社会对超大容量信息的处理、存储和传输要求的不断提高,硅基光电子集成已成为目前人们非常重视的研究课题,其中硅基发光器件,尤其硅基电致发光器件和硅基激光的实现已成为目前急待解决的问题。在此背景下,我们实验室已经进行了如下几方面的工作:在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中,利用等离子体原位氧化技术,制备出了周期性的非晶硅/二氧化硅(a-Si∶H/SiO2)多层膜结构;基于限制性晶化原理,通过热退火等后处理方法,获得了纳米硅/二氧化硅(nc-Si/SiO2)多层膜结构;对多层膜的微结构和光致发光性质进行了细致的观察和深入的分析;初步研究了金属-氧化物-半导体(MOS)结构即Al/(nc-Si/SiO2)多层膜/Si/Al结构的电致发光特性。在本论文中,基于上述我们已有的研究结果,对Al/(nc-Si/SiO2)多层膜/Si/Al结构的电致发光特性做了进一步研究和分析。然后为了进一步提高纳米硅基发光器件的发光强度,降低器件的开启电压,我们设计和制备了新的具有p-I-n结构的样品,通过增强载流子尤其是空穴的注入效率,使得器件开启电压下降,发光强度得到明显增强;同时,研究了不同的衬底对器件电致发光特性的影响;另一方面,为了提高器件的出光效率,我们制备了具有二维有序排列的纳米硅锥阵列表面形貌的图形衬底,将多层膜淀积在所获得的图形衬底上,对它的电致发光性质进行了初步的探索。结果表明,图形衬底可以有效地提高光的提取效率,同时,也通过影响生长的多层膜的微结构提高了器件的内量子效率,从而提高了器件的外量子效率。另外,我们还设计并制备了基于非晶碳化硅(a-SiC∶H)薄膜的全固态光学微腔结构,实现了对非晶碳化硅薄膜光发射的调制,使得在光学共振波长处的发光信号得到了选择性增强,为进一步实现含有纳米硅的全硅基光学微腔打下了良好基础。
本论文的主要结果如下:
1.针对宽带隙的SiO2对载流子的注入形成的高势垒,导致载流子,特别是空穴注入困难的问题,我们制备了n型掺杂(掺磷)和p型掺杂(掺硼)的非晶硅薄膜,将nc-Si/SiO2多层膜作为本征层(I层)镶嵌在由p型和n型掺杂的非晶硅薄膜构成的pn结中形成了p-I-n结构型的纳米硅基发光原型器件。对p-I-n结构的电致发光特性进行了详细研究。发现,相对于MOS型发光器件来说,p-I-n结构的开启电压降至了3V,其发光强度提高了50倍。分析表明:p-I-n结构有利于载流子的双极注入,同时也降低了器件的串联电阻,使得器件的载流子注入效率得以提高。另外,我们对在不同类型(p-Si、p+-Si和ITO)衬底上制备的p-I-n结构的电致发光特性进行了研究,发现衬底中多数载流子的类型和浓度是影响空穴的注入效率,也是影响器件效率的主要因素。从相对效率随外加偏压的变化关系图中可以发现,在较低的偏压下,p+-Si衬底上的p-I-n结构比p-Si衬底上的具有更高的相对效率。
2.制备在具有平整表面衬底上的nc-Si/SiO2多层膜结构的光提取效率很低,其主要因素是由于SiO2/nc-Si/SiO2多层膜结构的横向波导效应使得很大一部分光从侧面泄漏出去,不能够参与面发射。为了提高光的提取效率以增强发光器件的外量子效率,我们利用在单晶硅衬底上自组织形成的有序聚苯乙烯纳米小球阵列作为模版,通过反应离子刻蚀获得了二维有序排列的纳米硅锥阵列。将其作为图形衬底,设计并制备了Al/(nc-Si/SiO2)多层膜/p-Si/Al结构的电致发光原型器件。结合原子力显微技术、扫描电子显微技术、透射电子显微技术,对样品的表面形貌进行了表征与研究,利用反射光谱、电流电压特性曲线、Raman散射光谱以及傅立叶变换红外吸收光谱等研究了图形衬底上纳米硅多层膜结构的光学和电学特性。实验发现,在图形衬底上制备的纳米硅基发光器件的电致发光性能有了明显提高,与制备在未刻蚀过的具有平整表面形貌的衬底上的样品相比,其电致发光的开启电压降至一半左右,外量子效率提高了40倍以上。结合对其微结构和电致发光光谱的分析,发现图形化衬底不仅有利于提高器件的光提取效率;而且,纳米硅锥结构对等离子体淀积过程也产生了影响,并提高了器件的内量子效率,因此,器件的外量子效率有了明显提高。
3.具有正反馈效应的光学微腔对于实现硅基材料的光增益和光激射有重要的意义和作用,因此我们设计了基于非晶碳化硅(a-SiC∶H)薄膜的一维全固态光学微腔结构。首先,我们研究了不同组分比的a-SiC∶H薄膜的光学性质,如:折射率、光学带隙、光致发光特性等等;根据不同组分比a-SiC∶H薄膜具有不同的性质,我们设计了Fabry-Perot光学微腔,以交替淀积的分别具有高、低折射率的a-SiC∶H薄膜多层膜结构形成的DBR结构作为反射镜,以光致发光特性较好的a-SiC∶H薄膜做为发光有源层,在PECVD系统中连续沉积制备出了基于a-SiC∶H薄膜的一维F-P光学微腔结构。实验上得到的光学微腔的共振模式在646 nm,与设计的650 nm十分接近;发光的有源层a-SiC∶H薄膜在没有光学微腔时的发光谱线宽为150 nm,而在微腔结构中,其在腔模式646nm位置的谱线宽只有11 nm,品质因子约为59;腔模式位置的发光强度增加了两倍。结合光致发光谱、透射光谱、光致发光激发谱等对光学微腔的光调控作用进行了系统的研究分析,并和理论模型的计算进行了比较,结果表明有可能利用硅基薄膜构成全固态材料的光子器件,这为实现硅基材料的光增益与光激射奠定了良好的基础。