本征和摻硼硅納米晶的制備、性能及其在硅光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、硅光子學(xué)是在硅上實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)功能的技術(shù)，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息、計(jì)算、傳感、能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。其中最具吸引力的是:硅光子學(xué)可以最大程度地沿用現(xiàn)有的成熟的CMOS技術(shù)，在同一硅芯片上融合電子學(xué)和光子學(xué)，同時(shí)具有電子學(xué)的高計(jì)算容量和光子學(xué)的高通信帶寬的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)硅基單片集成。但是，其主要的限制因素是缺少硅基光源，即高效的發(fā)光二極管或硅激光器?？紤]到體硅是間接禁帶半導(dǎo)體的局限，研究者提出了很多策略來改善和實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光。在眾多研究方案

2、中，低維硅（納米硅）由于量子限域效應(yīng)和界面效應(yīng)，成為非常有希望實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光的材料之一。
　　本論文系統(tǒng)研究了全硅基富硅氧化硅薄膜、摻硼富硅氧化硅薄膜的光電性能、物理機(jī)制和應(yīng)用，致力于通過不同的方式得到高效的基于納米硅的發(fā)光。取得主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果如下:
　　(1)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和后續(xù)高溫?zé)崽幚淼姆椒ǎ晒χ苽淞烁叻植济芏鹊墓?Si)納米晶鑲嵌于二氧化硅(SiO2)基體的薄膜（富硅氧化硅薄膜）。通過氫鈍化工藝，鈍化了S

3、i納米晶/SiO2界面非輻射態(tài)，提高了輻射效率。以優(yōu)化的富硅氧化硅薄膜為有源層材料，結(jié)合微電子光刻工藝，成功制備了直徑5-10μm的含Si納米晶微盤諧振腔。當(dāng)外在激光源的光注入使Si納米晶自發(fā)輻射時(shí)，角對(duì)稱微腔結(jié)構(gòu)的全內(nèi)反射效應(yīng)使得寬的光滑的Si納米晶發(fā)光帶轉(zhuǎn)化成在寬帶上有一系列分立的尖銳的諧振峰的回音壁模式光譜。通過微區(qū)光致發(fā)光測(cè)試平臺(tái)，獲得了亞納米線寬的回音壁模式諧振峰，在800 nm處的品質(zhì)因子高達(dá)3000，這在目前報(bào)導(dǎo)的Si納米

4、晶基微盤體系是最高值。我們指出，富硅氧化硅薄膜材料性能的優(yōu)化（低損失，凈材料增益），對(duì)品質(zhì)因子的提高起關(guān)鍵作用。在Si納米晶非均勻的寬增益譜范圍，微盤諧振腔可能實(shí)現(xiàn)低閾值的激光行為。
　　(2)首次通過連續(xù)波光譜，系統(tǒng)地研究了鑲嵌在平面回音壁模式微諧振腔中的Si納米晶的非線性動(dòng)力學(xué)。觀測(cè)到了特征線寬隨激發(fā)功率增大而寬化的現(xiàn)象，指出這是由于激發(fā)載流子吸收損失引起的衰減。通過分析品質(zhì)因子隨激發(fā)功率的變化，得到了Si納米晶的吸收橫截面和

5、激發(fā)載流子吸收相關(guān)損耗。觀測(cè)到了模式峰位的非線性漂移，并對(duì)此建模得到了納米晶材料的非線性折射率。理論結(jié)果還證實(shí)，觀測(cè)到的諧振峰位的次線性藍(lán)移和線性紅移分別是由低泵浦功率下的激發(fā)載流子效應(yīng)和高泵浦功率下的熱光效應(yīng)引起的。提取的Si納米晶激發(fā)載流子折射率kEC=-1.07×10-23 cm3和熱光系數(shù)kT=1.46×10-4 K-1，可以對(duì)光學(xué)有源微腔中的精細(xì)模式結(jié)構(gòu)引入重要調(diào)制。
　　(3)利用反應(yīng)濺射結(jié)合共濺射和后續(xù)高溫?zé)崽幚淼姆?/p>

6、法，制備了不同富硅量、不同摻硼量的摻硼富硅氧化硅薄膜。通過對(duì)化學(xué)成分、微結(jié)構(gòu)的表征系統(tǒng)地研究了硼的摻雜對(duì)薄膜中鑲嵌的Si納米晶的影響。低富硅量（Si/O原子比～0.52）時(shí)，摻硼后的薄膜是亞納米甚至原子尺度的Si聚集體;中等富硅量（Si/O原子比～0.67）時(shí)，摻硼后的薄膜是直徑2-5 nm的Si納米晶鑲嵌于SiO2基體中;高富硅量(Si/O原子比～1.1)時(shí)，摻硼后的薄膜是尺寸更大的Si納米晶鑲嵌于SiO2基體中，Si納米晶的形狀趨于

7、橢圓，有重疊現(xiàn)象。通過X射線光電子譜Si2p和B1s核心能級(jí)譜的研究，表明硼除了位于原子尺度/亞納米尺度/納米尺度Si中Si的替代位外，還存在于SiO2基體中或者Si聚集體與SiO2基體的界面處。
　　(4)通過四探針電阻測(cè)試研究薄膜電學(xué)傳導(dǎo)性能，觀測(cè)到高富硅量薄膜摻硼后方塊電阻率有4-5個(gè)數(shù)量級(jí)的下降。證實(shí)了硼原子對(duì)Si納米晶實(shí)現(xiàn)了電學(xué)活性摻雜，從而顯著提高了載流子濃度。中/低富硅量的摻硼富硅氧化硅薄膜經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，在室溫?/p>

8、有強(qiáng)的白光光致發(fā)光，測(cè)得量子效率為幾個(gè)百分點(diǎn)，這是Si基固態(tài)白光光源的一個(gè)重要探索成果。通過研究PL譜隨富硅量、摻硼量、熱處理溫度的變化，揭示了發(fā)光中心位于納米Si/亞納米Si與基體的界面或基體中的原子尺度Si聚集體中，且發(fā)光中心是由硼促進(jìn)形成的。硼含量相近時(shí)，中等富硅量的薄膜的發(fā)光強(qiáng)度高于低富硅量的薄膜，表明有進(jìn)一步空間同時(shí)優(yōu)化薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。綜上，該體系有以下優(yōu)點(diǎn):由于制備的薄膜中所有元素都是“CMOS元素周期表”中的元素，與