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富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件

2020-12-07阅读(193)

富硅氮化硅和纳米硅多层量子阱硅基发光薄膜与器件

论文摘要

在硅基上实现光电单片集成,能够为微电子器件提供大带宽的光互连,同时为光电子器件提供低廉的制造成本,这使得硅基光电子成为国际上半导体领域研究的热点之一。晶体硅由于间接带隙的能带结构而不适用于制备光学有源器件,因此缺少与集成电路制造工艺兼容的硅基光源一直是制约硅基光电子发展的首要问题。基于量子限域效应,多种硅纳米结构的发光材料和器件表现出优于体硅材料的发光性能,为硅基光源的探索开辟了道路。本文主要针对两类硅纳米结构:富硅氮化硅（SiNx）和纳米硅多层量子阱（Nano-Si MQW）,薄膜的制备和发光性质,以及基于这两类结构的发光器件（LED）进行研究,取得如下创新的结果:1)采用等离子体增强化学气相沉积法生长了发光峰位可调的SiNx薄膜。通过控制前驱体SiH4和NH3的流量比实现了对薄膜中硅含量的调整。SiNx薄膜的折射率随着硅含量的增加而变大,光学禁带宽度随着硅含量的减小而增加。进一步研究指出,SiNx的光致发光（PL）来自其带尾态之间的跃迁:其峰位随着光学禁带宽度的增加而蓝移,发光效率相应升高;SiNx的荧光寿命在ns级别,光子的能量越高,荧光寿命越短。2)热处理后SiNx的发光性质主要取决于薄膜中的硅含量。在硅含量较高的样品中,随着热处理温度的升高PL强度迅速下降;在硅含量较低的样品中;PL是由氮化硅的带尾态和硅悬挂键（K中心）缺陷态这两类荧光组成的;硅含量适中的SiNx薄膜,热处理后荧光最强,其荧光峰位和强度随着热处理温度的演变趋势表现出与硅量子点（Si-QD）的相关性,最佳热处理温度为800℃。3)在ITO/SiNx（50nm）/p-Si器件上得到SiNx的电致发光（EL）,其发光峰位在610～670 nm之间,功率转化效率约为10-6。在3.8V 100mA下,开始测试到SiNx器件的EL信号,发光图形呈现不均匀的点状,发光谱线随着电压的增加而蓝移,并不随着SiNx中Si的含量发生明显的变化。通过电学输运模型拟合器件的电流电压曲线,发现SiNx的载流子输运符合Pool-Frenkel发射模型。分析SiNx的能带结构图和载流子输运机制,发现SiNx的EL主要来自K中心捕获的电子和价带带尾态中的空穴的复合。4)交替沉积5个周期的富硅氧化硅（SRSO）和SiO2薄膜,随后进行高温热处理使Si-QD从SRSO层中析出,获得了Nano-Si MQW结构。采用SRSO/SiO2多层结构模型拟合椭偏光谱测试数据,获得了结构中各子层的厚度信息,SRSO和SiO2层的厚度在2～4nm的范围内。热处理后的透射电镜显微照片显示,Si-QD在SRSO层中形成。Si-QD的大小、Nano-Si MQW的PL峰位与SRSO层的起始厚度有直接的对应关系。5)基于标准的CMOS工艺制备了Nano-Si MQW LED,其功率转化效率为0.04%,比单层SRSO LED高17倍以上。LED工作在3～5V的电压范围内,在1.29V的驱动电压下EL开始被探测到。这一电压值低于从Si向SiO2注入电子或空穴的势垒高度,说明此时的EL是由直接遂穿进入Si-QD的电子和空穴复合产生的。随着驱动电压的增加,载流子的直接遂穿被Fowler-Nordheim热电子遂穿所取代,LED发光效率下降。制约LED发光效率的因素是不平衡的电子和空穴注入。由于注入的电子电流大于空穴电流,使辐射复合集中发生在Nano-SiMQW中靠近p型硅衬底的一侧,而靠近n型多晶硅电极的Si-QD很可能只起到输运载流子的作用,并不参与发光。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 插图和附表清单
  • 第1章 绪论
  • 1.1 硅基光电子的概念
  • 1.2 集成电路的光互连方案
  • 1.3 硅的光学性质
  • 1.4 量子限域效应与硅量子点（Si-QD）
  • 1.5 本论文的结构
  • 第2章 文献综述
  • 2.1 硅纳米晶嵌入的氧化硅结构
  • 2.1.1 硅纳米晶嵌入氧化硅结构和光致发光
  • 2.1.2 硅纳米晶嵌入氧化硅结构的发光机制
  • 2.1.3 硅纳米晶的光增益
  • 2.1.4 硅纳米晶嵌入氧化硅结构的电致发光器件
  • 2.2 富硅氮化硅（SiNx）的结构
  • 2.2.1 Si-QD嵌入的氮化硅结构
  • 2.2.2 SiNx的带间跃迁荧光
  • 2.2.3 SiNx中的缺陷态发光中心
  • 2.2.4 SiNx的电致发光器件
  • 2.3 纳米硅多层量子阱（Nano-Si MQW）结构
  • 2.3.1 两类常见的Nano-Si MQW
  • 2.3.2 Nano-Si MQW的电致发光和器件
  • 第3章 SiNx薄膜的结构特点
  • 3.1 SiNx薄膜的制备和热处理
  • 3.1.1 等离子体化学气相沉积的原理和设备
  • 3.1.2 SiNx薄膜沉积的参数以及后续热处理
  • 3.2 非晶SiOx和SiNx薄膜的结构理论
  • 3.2.1 随机混和模型
  • 3.2.2 随机键合模型
  • 3.3 傅立叶变换红外吸收光谱（FTIR）表征SiNx薄膜
  • 3.3.1 SiNx的FTIR谱线
  • 3.3.2 热处理后SiNx的FTIR谱线
  • 3.4 用X射线光电子能谱表征热处理后SiNx中硅相的析出
  • 3.5 拉曼光谱,透射电镜和选区电子衍射表征SiNx中的硅析出相
  • 3.6 关于结构表征的讨论
  • 第4章 SiNx薄膜的光学性质
  • 4.1 SiNx薄膜的发光性质的研究历史
  • 4.2 SiNx薄膜的折射率和消光系数
  • 4.2.1 椭偏光谱法研究介质薄膜的原理
  • 4.2.2 SiNx薄膜的光学模型
  • 4.2.3 SiNx的折射率和消光系数随薄膜组分的变化
  • 4.3 SiNx的光学禁带宽度
  • 4.4 SiNx的光致发光（PL）
  • 4.5 荧光效率随SiNx组分的变化
  • 4.6 SiNx的荧光寿命
  • 4.7 SiNx的光学性质与组分的关系
  • 4.8 热处理以后SiNx薄膜的PL
  • 4.8.1 Si含量较高的SiNx（NR,R<0.8）的PL
  • 3）的PL'>4.8.2 Si含量较低的SiNx（NR,R>3）的PL
  • 4.8.3 Si含量中等的SiNx（NR,0.8≤R≤3）的PL
  • 4.8.4 热处理后SiNx薄膜的荧光性质的总结
  • 第5章 SiNx薄膜的电致发光（EL）和器件（LED）
  • 5.1 SiNx LED的结构和制备流程
  • 5.2 SiNx LED EL的测试
  • 5.3 EL谱线与SiNx的Si含量的联系
  • 5.4 电极材料对EL的影响
  • 5.5 驱动电压和注入电流对SiNx LED发光性能的影响
  • 5.6 SiNx LED的发光效率
  • 5.7 SiNx LED的电流电压（I-V）特性
  • 5.8 介质薄膜电学输运的模型
  • 5.8.1 F-N遂穿机制
  • 5.8.2 直接遂穿
  • 5.8.3 P-F发射模型
  • 5.8.4 TAT模型
  • 5.9 SiNx薄膜的电学输运特性
  • 5.9.1 SiNx电学输运的研究进展
  • 5.9.2 对SiNx I-V曲线的模型拟合
  • 5.9.3 SiNx电学输运的特点
  • 5.10 SiNx LED EL机理的讨论
  • 第6章 Nano-Si MQW结构的制备和表征
  • 2制备的Nano-Si MQW结构'>6.1 交替沉积SRSO和SiO2制备的Nano-Si MQW结构
  • 6.2 Nano-Si MQW的结构表征
  • 6.2.1 SRSO的色散模型
  • 2/SRSO热处理前的周期性结构'>6.2.2 用椭偏光谱表征SiO2/SRSO热处理前的周期性结构
  • 6.2.3 热处理以后Nano-Si MQW的结构
  • 6.3 Nano-Si MQW的PL
  • 6.4 Nano-Si MQW的PL与结构的关系
  • 第7章 基于Nano-Si MQW结构的LED
  • 7.1 Nano-Si MQW结构和单层SRSO的比较
  • 7.2 Nano-Si MQW LED工艺流程和器件图形
  • 7.2.1 器件工艺流程概述
  • 7.2.2 器件的版图说明
  • 7.3 Nano-Si MQW中的电学输运特性
  • 7.3.1 Nano-Si MQW的I-V特性
  • 7.3.2 Nano-Si MQW结构和单层SRSO在I-V特性上的差异
  • 7.3.3 Nano-Si MQW结构和单层SRSO的电容电压特性
  • 7.4 直流电源驱动下Nano-Si MQW LED的EL
  • 7.5 Nano-Si MQW LED的发光性能
  • 7.6 Nano-Si MQW和SRSO LED发光性能的比较
  • 7.7 Nano-Si MQW LED的功率转化效率
  • 7.8 电子阻挡层和空穴阻挡层对LED发光性能的影响
  • 7.9 LED的尺寸和击穿之间的联系
  • 7.10 Nano-Si MQW LED的发光机制
  • 第8章 结论与展望
  • 8.1 本文的主要结论
  • 8.2 对后续研究工作的建议
  • 参考文献
  • 作者简历及攻读博士期间取得的科研成果

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