局域表面等離子體增強的氮化硅器件電致發(fā)光性能研究.pdf

1、硅基光互連技術是指利用現(xiàn)行成熟的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝研制硅基光子器件，代替電子器件實現(xiàn)信息的高速傳輸。而高效硅基光源的制備是硅基光互連應用中的難點之一，其中，氮化硅薄膜由于其優(yōu)異的發(fā)光性能，成為了制備硅基光源的備選材料之一。然而，氮化硅薄膜基器件的電致發(fā)光效率依然較低，為此，人們在改善氮化硅薄膜基電致發(fā)光器件效率上做了大量的努力。
　　本文通過在氮化硅薄膜基器件中引入銀納米顆粒實現(xiàn)了器件電致發(fā)光效率的提升，同時對器

2、件電致發(fā)光的來源問題進行了詳細的研討，并在此基礎上實現(xiàn)了器件電致發(fā)光波長的調(diào)制。本文的主要創(chuàng)新結果如下:
　　(1)解決了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光的來源問題。通過對氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光峰位以及不同注入電流/電壓下器件的載流子輸運機制的變化的詳細研究，解決了氮化硅薄膜基器件兩個電致發(fā)光峰的來源問題。其中，短波長的峰（P1峰）來源于陷阱在K中心的電子和位于=N-帶尾態(tài)上的空穴之間的復合，而長波長的峰（P2峰）則來源于位于導帶帶尾態(tài)

3、的電子和局域在≡Si0中心的空穴之間的復合。
　　(2)提出了氮化硅薄膜基質(zhì)中激子與局域表面等離子體(LSPs)之間的耦合模型，并詳細研究了Purcell因子與銀納米顆粒尺寸、氮化硅薄膜基質(zhì)中激子的能量以及激子與LSPs之間的距離等參數(shù)之間的關系。并且在確定這些參數(shù)之間關系的基礎下，進一步通過上述耦合模型計算獲得了氮化硅薄膜中激子的平均位置。
　　(3)通過銀納米顆粒尺寸的優(yōu)化，實現(xiàn)了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光效率近一個數(shù)量級

4、的提升。通過對影響器件外量子效率的因素的分析，確定其電致發(fā)光效率的提升主要源自器件光抽取效率的提升。對于銀納米顆粒置于氮化硅薄膜上面的結構器件，光抽取效率的提升主要源自器件ITO電極的表面粗糙化。而對于銀納米顆粒置于氮化硅薄膜下面的結構器件，由局域表面等離子體共振引起的背散射的增強對光抽取效率的提升也有一定貢獻。同時，內(nèi)量子效率的提高和載流子注入效率的改善也對器件電致發(fā)光效率的提升有一定的貢獻。
　　(4)提出了一種研究引起器件效

5、率衰減現(xiàn)象主要原因的方法。在參比樣器件中我們觀察到了電致發(fā)光效率衰減的現(xiàn)象，而對氮化硅薄膜進行高溫長時間熱處理或加入銀納米顆粒的器件中，這一效率衰減現(xiàn)象得到了有效較小。我們通過對產(chǎn)生光功率主導過程的分析（Z因子的確定），確定了引起這一效率衰減現(xiàn)象的主要原因是Auger非輻射復合過程，而載流子過注入對這一效率衰減作用甚微。
　　(5)通過銀納米顆粒尺寸以及注入電流/電壓的調(diào)節(jié)實現(xiàn)了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光波長的調(diào)制，并確定了引起器件