论文题目: Zn2SiO4/Si发光薄膜与器件研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料物理与化学
作者: 刘坤
导师: 季振国
关键词: 硅基光电,平面结构,电致发光
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 信息技术的发展要求实现从微电子集成到光电集成乃至光子集成的飞跃。由于硅集成电路工艺非常完善,因此硅基光电集成成为重点研究对象。要实现硅基光电集成,关键是寻找性能优良且能与硅集成电路工艺相兼容的硅基发光材料。掺杂硅酸锌（Zn2SiO4:M,M为稀土金属或过渡金属元素）发光材料由于发光效率高、稳定性好、可通过改变掺杂元素获得多种发光波长以及具有制备工艺可与硅集成电路工艺兼容等优点,近年来在硅基发光材料与器件的研究中开始得到研究人员的重视。不过,有关硅基硅酸锌发光膜的系统性的研究工作不多,因此有必要系统地研究硅衬底上生长掺杂硅酸锌发光薄膜的制备技术、发光特性以及电致发光特性。 本论文的工作中,在生长有SiO2的Si衬底上利用旋涂含锌的溶胶后高温热处理的方法制备了硅酸锌以及掺杂硅酸锌薄膜,系统地研究了发绿光的Zn2SiO4:Mn薄膜的各种性质以及影响薄膜发光强度的各种因素。另外还通过掺杂其他稀土元素获得了其他波长的发光薄膜,最后以硅集成电路平面设计思想为指导,制备了一个以Zn2SiO4:Mn为发光层的硅基电致发光原型器件。 本论文的结果表明掺杂硅酸锌发光薄膜可以用来制作硅基电致发光器件。这种薄膜具有性能稳定、发光波长可选、制备工艺与硅集成电路工艺兼容等特点,可以预计它在某些硅基光电集成器件中具有一定的应用前景。 本论文的主要结果包括: 1.研究了在硅片上生长Zn2SiO4以及Zn2SiO4:Mn发光薄膜的工艺参数以及工艺参数对其性质的影响,发现通过简单的高温反应可以使硅片表面的ZnO转变为Zn2SiO4。薄膜小于800℃的高温处理后仍为ZnO,在900～1000℃下处理后为ZnO和Zn2SiO4两相共存,1050℃以上高温处理后则全为Zn2SiO4。影响薄膜发光性能的因素主要有物相成分和Mn的掺杂浓度。 2.虽然硅酸锌薄膜中Mn2+掺杂浓度在小于10mol%时,Mn2+均可替代硅酸锌中的Zn2+处于晶格位置,成为发光中心,但当Mn2+浓度超过2mol%时,出现了浓度猝灭效应,使得发光膜的发光强度下降,因此最佳Mn2+的浓度为2mol%。Zn2SiO4:Mn（2mol%）薄膜的光致发光波长为525nm,余辉时间约为21ms。
论文目录:
第一章 前言
1.1 研究背景和内容的确定
1.2 硅酸锌的结构、性质和发展
1.3 硅酸锌发光基体材料研究进展
1.3.1 硅酸锌形成、结晶性质研究
1.3.2 掺Mn硅酸锌发光材料研究进展
1.3.3 稀土掺杂硅酸锌发光材料研究进展
1.3.4 其他元素掺杂硅酸锌发光材料
1.4 硅酸锌电致发光器件研究进展
1.5 本文的研究目的与内容
第二章 硅酸锌薄膜的制备和表征
2.1 溶胶—凝胶法成膜基本原理
2.2 硅酸锌薄膜的制备工艺
2.2.1 溶胶制备与镀膜
2.2.2 高温热处理
2.2.3 工艺条件对溶胶薄膜影响的研究
2.3 薄膜制备衬底的选择和清洗
2.4 样品的表征
第三章 未掺杂硅酸锌的制备和性质研究
3.1 薄膜的制备
3.2 不同工艺对硅酸锌结晶和物相转变过程的影响
3.2.1 A工艺SiO_2/Si上制备样品的形成表征
3.2.2 B工艺SiO_2/Si上制备样品的形成表征
3.3 在SiO_2／Si上B工艺制备样品的性质研究
3.3.1 薄膜的表面形态、粒径大小
3.3.2 薄膜的断面性质
3.3.3 薄膜中的键合形态
3.3.4 未掺杂样品的发光性质
3.3.5 样品的电学性质
3.4 本章小结
第四章 硅基掺Mn硅酸锌薄膜的性质
4.1 热处理温度、时间和掺杂浓度对掺Mn样品发光的影响
4.1.1 热处理温度对掺Mn样品发光的影响
4.1.2 热处理时间对掺Mn样品发光性质的影响
4.1.3 Mn掺杂浓度对薄膜样品发光性质的影响
4.2 热处理温度、时间和掺杂浓度对样品结晶性质的影响
4.2.1 热处理温度对掺Mn样品结晶性能的影响
4.2.2 热处理时间对掺Mn样品结晶性能的影响
4.2.3 Mn掺杂浓度对样品结晶性能的影响
4.3 热处理温度、时间和掺杂浓度对样品形貌和晶粒的影响
4.3.1 热处理温度对掺Mn样品形貌和粒径的影响
4.3.2 热处理时间对掺Mn样品形貌和粒径的影响
4.3.3 Mn掺杂浓度对样品形貌和粒径的影响
4.4 物相成分的变化对发光强度影响的分析
4.4.1 引起发光强度改变的因素比较
4.4.2 ZnO、Zn_2SiO_4相共存电子跃迁过程分析
4.5 掺杂后薄膜样品的键合形态分析
4.6 掺Mn样品的衰减特性
4.7 本章小结
第五章 稀土掺杂硅基硅酸锌薄膜发光性质
5.1 掺Eu硅酸锌发光薄膜
5.1.1 热处理温度的影响
5.1.2 掺杂浓度的影响
5.2 掺Ce硅酸锌发光薄膜
5.3 掺Tb硅酸锌发光薄膜
5.4 本章小结
第六章 硅基平面结构电致发光原型器件
6.1 电致发光器件简介与现状
6.2 制备介绍
6.3 性能分析
6.4 原型器件电致发光机理分析
6.5 硅集成工艺兼容性讨论
6.6 加大电压后的电致发光讨论
6.7 本章小结
第七章 结论与建议
7.1 本文结论
7.2 改进工作建议
参考文献
攻读博士期间完成和参与完成的论文
致谢
发布时间: 2006-05-10
参考文献
- [1].体Si和SOI上高k介质材料研究和应用探索[D]. 章宁琳.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2003
- [2].硅基CeO2薄膜电致发光器件的制备与研究[D]. 牟光遥.北京交通大学2017
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