摻鉺富硅氮氧化硅的敏化發(fā)光研究.pdf

1、硅基光電集成可以為微電子器件提供高速、大帶寬、低串?dāng)_的光互連，因此成為目前半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。但是，與集成電路工藝相兼容的硅基光源的缺失是制約硅基光電集成發(fā)展的一大難點(diǎn)。鉺離子摻雜的硅基發(fā)光材料是實(shí)現(xiàn)硅基光源的重要途徑之一，它的制備過程與集成電路工藝兼容，其發(fā)光對應(yīng)于光纖通訊的最低損耗波長，因此得到了廣泛的關(guān)注。但是鉺的激發(fā)截面很小，如何實(shí)現(xiàn)其高效發(fā)光是目前研究中亟需解決的問題。
　　本文針對硅基摻鉺富硅氮氧化硅材料，系統(tǒng)研

2、究了其中鉺離子的敏化機(jī)理及影響因素，對其光學(xué)性能進(jìn)行一系列優(yōu)化。并基于光學(xué)性能的研究，成功制備出了電致發(fā)光器件。本文的主要創(chuàng)新結(jié)果如下:
　　(1)解釋了富硅量對摻鉺富硅氮氧化硅薄膜中鉺發(fā)光的影響，并對其進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)富硅量較低時，硅納米晶密度隨富硅量提高而提高;富硅量較高時，硅納米晶之間會相互交疊，其密度隨富硅量提高而降低;同時，提高薄膜富硅量會降低光學(xué)活性鉺離子的濃度。研究還發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過高溫?zé)崽幚碇?，薄膜?nèi)的非輻射復(fù)合中

3、心會被有效消除，提升富硅量并不會導(dǎo)致鉺發(fā)光壽命的下降。所以，在中等富硅量樣品中有最優(yōu)的鉺離子發(fā)光。
　　(2)發(fā)現(xiàn)隨熱處理溫度的不同，在摻鉺富硅氮氧化硅中存在兩種敏化中心。當(dāng)熱處理溫度低于800℃時，薄膜內(nèi)沒有硅納米團(tuán)簇的析出，局域態(tài)是主要的敏化中心;當(dāng)熱處理溫度高于800℃時，局域態(tài)逐漸消亡，硅納米團(tuán)簇開始析出并成為主要敏化中心。研究發(fā)現(xiàn)局域態(tài)敏化鉺離子濃度是硅納米團(tuán)簇的兩倍以上。制約低溫?zé)崽幚順悠分秀s離子發(fā)光的主要因素是較低的

4、熒光壽命。
　　(3)研究了摻鉺富硅氮氧化硅的變溫光致發(fā)光譜，證明其溫度淬滅效應(yīng)非常微弱。研究發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)存在鉺離子的非輻射復(fù)合中心，其密度及能級位置隨熱處理?xiàng)l件而改變。同時發(fā)現(xiàn)，從局域態(tài)及硅納米晶向鉺離子傳遞能量的過程需要聲子輔助。
　　(4)成功制備出開啟電壓低于5V的摻鉺富硅氮氧化硅電致發(fā)光器件。系統(tǒng)研究了器件的電輸運(yùn)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同的熱處理?xiàng)l件會改變薄膜內(nèi)的缺陷態(tài)密度及能級結(jié)構(gòu)。指出摻鉺富硅氮氧化硅器件中鉺離子的電致發(fā)光