銪摻雜富硅氧化硅薄膜的光電性能研究.pdf

1、硅基光源是硅基光電子的重要組成部分，也是硅基光電子發(fā)展所面臨的首要問題之一，但由于晶體硅的間接帶隙特性，使得其不適合應(yīng)用于光學(xué)有源器件中。稀土離子，由于具有熒光強(qiáng)度高，單色性好，性能穩(wěn)定等特性而受到廣泛關(guān)注。因而硅基稀土發(fā)光器件有可能用于硅基光電子所需光源。本文就稀土銪摻雜的富硅氧化硅薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行研究，探索其作為硅基光源的途徑。
　　 銪摻雜的富硅氧化硅薄膜是通過電子束蒸發(fā)法(EBE)進(jìn)行制備，銪的摻雜劑量是通過蒸發(fā)

2、源中的摻雜劑量進(jìn)行控制。通過對薄膜制備條件以及后續(xù)熱處理過程與發(fā)光特性(PL)間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究，并將薄膜制備成MOS器件，實現(xiàn)其電致發(fā)光，并探索了提高電致發(fā)光強(qiáng)度的途徑，我們得出以下結(jié)論：
　　 第一，通過電子束蒸發(fā)法，能夠制備得到致密的銪摻雜富硅氧化硅薄膜。通過控制銪摻雜富硅氧化硅薄膜沉積過程中的襯底溫度，我們發(fā)現(xiàn)隨著薄膜沉積時襯底溫度的升高，原生薄膜的PL逐漸減弱，而熱處理后薄膜的PL強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。
　　 第二

3、，發(fā)現(xiàn)了在薄膜的沉積過程中，Eu的價態(tài)發(fā)生了Eu3+-Eu2+的轉(zhuǎn)變。Eu在蒸發(fā)源中以Eu3+存在，在沉積的原生薄膜中大部分為Eu2+。這是由于沉積到襯底上的SiO通過奪取Eu2O3中的O原子，轉(zhuǎn)變成Si02，同時Eu自身被還原為Eu2+。
　　 第三，當(dāng)熱處理溫度低于800℃時，銪摻雜富硅氧化硅薄膜PL積分強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而逐漸降低，而當(dāng)熱處理溫度高于800℃時，PL積分強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而逐漸增強(qiáng)。樣品在1100℃

4、的積分強(qiáng)度幾乎為未經(jīng)熱處理樣品的11倍，為800℃時的72倍。這種熒光增強(qiáng)是由于薄膜在熱處理過程中微結(jié)構(gòu)的變化引起的，并且同時伴隨熒光機(jī)制的轉(zhuǎn)變。將熱處理溫度固定為PL強(qiáng)度最強(qiáng)的1100℃，研究了PL強(qiáng)度隨熱處理時間的變化關(guān)系，在時間低于90 min時，PL強(qiáng)度隨熱處理時間的延長而逐漸增強(qiáng)，當(dāng)時間再延長時，PL積分強(qiáng)度基本不變。而隨后通過熒光壽命測試，我們發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，熒光壽命在800℃處呈現(xiàn)了一個明顯的由ns到us級別的轉(zhuǎn)

5、變過程。分別對應(yīng)于氧化硅基體缺陷態(tài)的發(fā)光和Eu2+的4f65d-4f7(8S7/2)能級躍遷，并且進(jìn)一步設(shè)計實驗驗證了高于800℃后的強(qiáng)寬帶發(fā)光來自于Eu2+，隨后我們通過TEM，SAED，XRD對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)了隨著薄膜熱處理溫度的升高，EuSiO3多晶的團(tuán)簇在薄膜中形成，結(jié)晶度不斷提高。因此我們認(rèn)為熱處理過程中熒光機(jī)制的轉(zhuǎn)變是由薄膜的微結(jié)構(gòu)變化引起。
　　 第四，我們還將銪摻雜富硅氧化硅薄膜制作成ITO/Eu

6、SiO/P-Si/Al MOS器件結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了薄膜的電致發(fā)光。但是器件注入電流相對較大，我們認(rèn)為是常規(guī)熱處理形成的較大EuSiO3顆粒，注入的電子通過顆粒間進(jìn)行傳導(dǎo)，當(dāng)遇到缺陷復(fù)合中心時，電子空穴對發(fā)生輻射復(fù)合，而發(fā)射可見光。我們針對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用P/P+襯底取代p型襯底，以使得襯底和電極間形成歐姆接觸；采用RTP取代常規(guī)熱處理，以形成更小更均勻的顆粒團(tuán)簇；通過在銪硅氧薄膜上添加SiO2層，實現(xiàn)了增大電場，降低注入電流的目的