（光学专业论文）硅纳米晶的电致发光研究.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： 路丑 日期：垫妇生：2 乙 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名： 聋辑 导师签名：作者签名： 阜笃= k # 导师签名： 刀占几 日期：!盟 由荔一 印十 硅纳米晶的电致发光研究摘要 论文题目：硅纳米晶的电致发光研究 复旦大学光科学与工程系光学专业 硕士研究生陈丹指导教师陆明 摘要 光电子产业是2 1 世纪的支柱产业。利用现有的硅技术实现光电子器件集成 是当前光电子产业发展的一个重要趋势。由于其发光的稳定性、结构的稳固性以 及所具有的受激辐射特性，在过去的几年里已经成为制造硅光源的优选材料。工 作中所涉及的n c s i 的电致发光研究是1 1 c s i 实用化的重要步骤。 本论文主要包括两部分工作：其一是镶嵌在s i 0 2 介质中的纳米晶s i ( n c - s i ： s i 0 2 ) 的电致发光( e l ) 鉴定；其二是n c s i ：s i 0 2 的e l 增强研究。 一、通过对比室温下的单层n c - s i ：s i 0 2 和s i 0 2 的光致发光( p l ) 以及电致 发光( e l ) 特性，得出结论：n c - s i ：s i 0 2 的e l 包括纳米晶s i 和缺陷两部分的 发光，并且分析了n c s i ：s i 0 2 的p l 和e l 的峰位不同的原因。我们还发现，通 过钝化n c - s i ：s i 0 2 界面的方法只能增强纳米晶s i 的p l 强度，而不能提高纳米 晶s i 的e l 强度。 二、我们在n c - s i ：s i 0 2 掺入适量的稀土元素c e 3 + ，提高了纳米晶s i 的光致 发光强度，同时发现它对纳米晶s i 的电致发光也起到一定的改善作用。但是要 实现可实用的硅光源，电致发光强度必须得到大幅度的增加，所以必须进一步研 究出更加有效的掺杂方法来提高纳米晶s i 的e l 强度。 关键词：纳米晶s i ，光致发光，电致发光，掺杂，能量传递 中图分类号：0 4 3 ，0 4 7 ，0 7 5 ，0 7 6 ，0 7 7 ，0 7 8 ，0 7 9 硅纳米晶的电致发光研究 a b s t r a c t o p t o e l e c 仃o n i c si st h em o s ti m p o r t a n ti n d u s t r yi nt h e2 1 s tc e n t u r y i t sd e v e l o p m e n t h a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tt r e n do fu s i n gc u r r e n ts i l i c o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v e o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n s in a n o c r y s t a l se m b e d d e di ns i 0 2 m a t r i x ( n o s i ：s i 0 2 ) i sa p r o m i s i n gm a t e r i a l f o rs i o p t i c a la p p l i c a t i o n d u et oi t s s t r o n g a n ds t a b l e p h o t o l u m i n e s e e n c e ，r o b u s ts t r u c t u r e ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i co fs t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n r e s e a r c ho ne l e c t r o l u m i n e s e e n c e ( e l ) o f n c s ia sc o n d u c t e di nt h i sw o r ki s a ne s s e n t i a ls t e pt o w a r da p p l i c a t i o no f n c s i t h i sm a s t e rd e g r e et h e s i sc o n s i s t so ft w op a r t s ：o r ei s 幻c l a d f yw h e t h e rt h e c o n t r i b u t i o nf r o ms in a n o e r y s t a l si nt h ee lo fn c s i ：s i 0 2t r u l ye x i s t s ；t h eo t h e ri st o s t u d yt h em e t h o dt oe n h a n c et h ee lo f n c s i ：s i 0 2 1 ac o m p a r a t i v es t u d yh a sb e e nc o n d u c t e do nt h ee la n dp h o t o l u m i r e s c e n c e ( p l ) o fs in a n o c r y s t a l d o p e ds i 0 2 ( n c - s i ：s i 0 2 ) a n ds i 0 2u n d e rr o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l t su n a m b i g u o u s l yi n d i c a t et h e p r e s e n c eo fe lo fs in a n o c r y s t a l s t h e d i f f e r e n c ei np e a l 【p o s i t i o nb e t w e e nt h ee la n dp ls p e c t r aa r ed i s c u s s e d i th a sa l s o b e e nf o u n dt h a tt h en o r m a lm e t h o do fp a s s i v a t i o nt oe n h a n c et h ep lo fs i n a n o c r y s t a l si sn o te q u a l t ye f f e c t i v ef o rt h ee l ，h e n c en e wm e t h o d sn e e dt ob e e x p l o r e dt op r o m o t et h ee lo fs in a n o c r y s t a l s 2 w j f o u n dt h a tt h ep lo fs in a n o c r y s t a l sc a nb ee n h a n c e db yd o p i n gc e 3 + i n t o t h en c - s i ：s i 0 2s y s t e m a n dt h ee lo fs in a n o c r y s t a l sc a nb ea l s oi m p r o v e db y d o p i n g b u tf o rr e a l i z i n gap r a c t i c a l s i l i g h ts o u r c e ，t h ee li n t e n s i t yo fs i n a n o c r y s t a l sm u s tb ef u r t h e re n h a n c e db yd e v e l o p i n gm o r ee f f e c t i v ed o p i n gm e t h o d k e yw o r d s ：s in a n o c r y s t a l s ，p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) ，e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) ， d o p i n g ，e n e r g yt r a n s f e r p a c s ：0 4 3 ，0 4 7 ，0 7 5 ，0 7 6 ，0 7 7 ，0 7 8 ，0 7 9 2 硅纳米晶的电致发光研究 第一章引言 第一章引言 硅以其良好的电学、热学、化学以及机械性能而成为半导体工业中最重要 的基础材料。经过半个多世纪的努力，硅材料的生长及器件制备工艺已相当成熟， 加上原料丰富，价格低廉，因此目前9 8 以上的半导体器件是由硅材料制造的。 硅材料在微电子领域处于不可替代的地位，是现代微电子器件的基石。 硅是间接带隙半导体，因此传统的硅材料在光信息领域难有大的作为。但 是这并不意味硅材料将因此被淘汰，相反，以硅基异质结构及量子结构为主的第 二代硅材料已在高速大容量方面显示出越来越大的应用前景。首先，在超大容量 方面，基于硅材料的电子器件正继续按摩尔定律发展，如实验室中已经用o 1 6 p 皿技术获得i g b 的d r a m ，预见到2 0 1 0 年将达到6 4 g b 左右，超过目前的c d r o m 及d v d 的容量。在超高速这一点上，基于s i g e s i 应变层及调制掺杂技术制备的 异质结双及晶体管( h b t ) 的最高工作频率已达7 5 g h z 以上。目前光信息所需的 光产生、探测、传输、调制、处理、显示及光电转换等单元都已经可以通过硅及 硅基材料完成。虽然在发光方面硅基材料仍然显得不足，但也已经取得了一些进 展，如在实验室中获得了与集成电路工艺完全兼容的能发射可见光的用富硅二氧 化硅制作的发光二极管。基于g e s i 超晶格、量子阱及掺e r o 的硅的红外发光器 件技术与日趋成熟。如果硅基材料在电致发光方面获得突破性成功并进入实用阶 段，那么硅基材料还将在光电子领域占据主导地位。 硅基光电材料与器件是当前微电子、光电子及光子学科的主要研究目标。 光电集成并非是电子器件与器件的一个过渡性器件，它可能是长时期内高速大容 量信息传输与处理的最佳途径，作为一种可以普及的产品，不仅要考虑其性能， 还要考虑其原料来源、制备容易程度、性能价格比等诸多因素。硅基光电材料将 是集以上诸多优点于一身而又能保持良好性能的一种信息材料，加上它与硅集成 电路工艺很好的兼容性，硅基材料上的光电集成是实现高速大容量信息技术的一 个捷径。利用近年来发展起来的材料制备技术如分子束外延，化学束外延，超高 真空c v i ) 等手段，结合界面设计技术，有可能实现基于同一硅衬底的光电集成器 件。 光电集成或光子集成是适应超高速大容量信息传输与处理必需的。与电子 相比，光子具有速度快、容量大、保密好，不同波长的光波在传输过程中不会产 生干扰等一系列的优点，已经成为国际信息研究领域的热点。 硅纳米晶的电致发光研究 第一章引言 实现硅基光电子器件的最大障碍是缺少合适的光发射器，特别是激光。因为 块状硅是间接带隙材料，电子跃迁需要声子辅助，发光效率低。块硅在2 0 k 时荧 光峰在1 1 e v ，等于带隙1 1 7 e v 减去声子能量和激子的束缚能。由于激子的束 缚能小，很容易解散，通过非辐射方式复合，所以室温时晶态硅的荧光效率很低， 大约在1 0 - 6 - 1 0 4 量级【l 】，因而室温时基本测不到晶体硅的荧光。量子尺寸效应告 诉我们，由于量子约束作用，在不改变材料的成分和晶态结构的情况下，仅仅通 过改变材料的尺寸就可以改变材料的带隙，提高电子和空穴复合的几率。 我们先解释几个基本概念。( 1 ) 纳米晶。纳米尺寸的晶体通常被称为纳米晶， 是介于分子和块体之间的一种物质形态，尺寸小于l o o n m 。( 2 ) 量子点。如果纳 米晶的尺寸进一步缩小到与电子运动平均自由程或德布罗意波长或激子波尔半 径相当时，就称之为量子点。( 3 ) 量子约束效应。在量子点中，电子和空穴的运 动在三维空间都受到约束，载流子只能位于分离的束缚能级，运动完全量子化， 从而削弱了动量守恒的限制，即量子约束效应显著1 2 j 。所以半导体纳米晶与同成 分的块状材料和组成它们的分子或原子有区别。主要表现在随着尺寸的减小，半 导体能隙加宽，电子一空穴交换作用加强，激子束缚能增大，光跃迁强度提高【2 j 等方面。量子约束效应中，报道得最多的是量子尺寸效应，即随着量子点尺寸的 减小，带隙增加。这意味着对于具有固定化学成分和晶体结构的材料，仅仅凭借 其物理尺寸的变化就可以调节其光学性质。多孔硅和纳米晶硅可以发出可见光正 是基于量子约束这个原理。 在过去十几年里，科学家们花了大量精力研究多孔硅和纳米晶硅。实际上 1 9 5 6 年u h l i r 就制备出多孔硅，但是直到1 9 9 0 年c a n h a m 改变制备工艺在室温 下才观察到多孔硅发射的强可见光口】。c a n h a m 一开始认为荧光是腐蚀形成的纳米 晶里载流子受二维约柬作用导致带隙展宽的结果，后来的工作证实多孔硅发射可 见光实际上是构成多孔硅的纳米晶粒m 】受三维量子约束的结果。在室温下观察 到多孔硅可以发射出较强的可见光是一个历史性的突破，因为它使间接带隙的半 导体s i 有可能成为光电集成材料，所以继c a n h a m 的工作之后，全世界掀起了研 究多孔硅的热潮。到目前为止，人们已经在多孔硅发光机理的基础研究及其可能 的技术应用方面做了大量工作。在发光机理方面，提出了很多模型，主要有量子 约束效应【伽】，量子约束一表面态模型【9 】，量子约束一发光中心模型【1 0 1 ，和氧缺陷 模型l l ”。在应用方面，制备出与大规模集成电路相匹配的多孔硅二极管u 2 1 。1 9 9 6 年h i r s c h m a n u 3 】等人将氧化的多孔硅作为发光器件和硅双极型晶体管集成在一 起，从而在实验室初步实现了全硅基光电子集成器件的原型。多孔硅在探测器方 4 硅纳米晶的电致发光研究 第一章引言 面也取得了巨大进展，量子效率接近1 【1 4 】。 但是多孔硅的很多弱点也严重地阻碍了它在光电集成方面的实际应用。比 如：它很脆，发光不稳定，容易老化等。而且至今没有关于多孔硅光增益的报道。 将纳米晶s i 镶嵌在s i0 2 介质中形成的结构称为“镶嵌在s i 0 2 介质中纳米晶硅” ( n c - s i ：s i 0 2 ) 在上述性能方面比多孔硅强得多，因而具有更广的应用前景。 1 9 9 0 年t a k a g i 1 5 1 等人在共振腔中利用微波等离子法分解s i 1 4 制备了纳米晶硅， 观察到纳米晶硅可以发射出可见荧光，并且发现荧光峰能量与粒子直径d 之间满 足关系式1 d 2 ( 3 ( d ( 5 n m ) ，与量子尺寸效应相符合。制备n c s i ：s i 0 2 的方法 有很多，除了气相沉积法或激光烧蚀法直接形成量子点再氧化外，其它的是用不 同的方法形成非化学配比的s i 0 。薄膜( s i o x ，x ( 2 ) 再加热结晶，形成n c - s i ： s i 0 2 结构。t i c s i ：s i 0 2 的荧光谱与多孔硅的相似，谱峰宽而且峰位与纳米晶的 尺寸有关。纳米晶硅的光增益特性是由p a v e s 首先发现的【1 6 l ，在他以后，很多 人都陆续的观察到增益特性。增益来源于载流子在i l c s i 和s i 0 2 之间界面局域 态或s i 0 2 介质中局域态复合的结果。但是n c - s i 和介质在其中究竟起多大作用， 以及增益由什么因素决定等都有待于探索。 在光通讯方面，研究得最多的是掺e r 的n c s i ：s i 0 2 体系【1 7 , 1 8 1 ，e r 发射的光 波长是1 5 p a n ，正好是光通讯波长，但是e r 吸收截面小，而n c s i 可以更好地吸 收激发光将能量传递给e r ，由于n c s i 带隙展宽从而e r 到n c s i 的能量回传效率 降低，所以e r 的荧光效率增加。已经用掺e r 的n c s i ：s i 0 2 体系制备了室温运 行的m o s 光发射器件，荧光效率达到1 1 1 9 1 ，1 0 量子效率也有报道，但是在 发光稳定性方面有待于进一步提高。掺e r 的n c s i ：s i 0 2 也是很有前途的激光材 料，其光学微腔可用于侧面发射和垂直发射激光器。 在控制n c s i 尺寸方面，探索出制备a s i e s i 超晶格【2 0 】以及s i s i 0 2 t 2 ”，s i o s i 0 2 1 2 2 i 超晶格等控制纳米晶尺寸的方法。增强n c s i 的荧光强度也是一个热门课 题，目前主要是通过向n c s i s i 0 2 体系掺杂p 或b 来提高荧光效率【2 3 矧。 近年来，n c s i ：s i 0 2 体系的电致发光越来越引起了人们研究的兴趣由于二 氧化硅是硅集成电路的钝化膜和介质膜，与硅平面工艺完全兼容，如果能实现 n c s i ：s i 0 2 薄膜的有效电致发光，就可实现光电集成。而要制各理想的电致发 光材料，除了通过实验探索其最佳工艺和方法，还须从理论上认清其发光的机制， 以对优化材料的适用条件和制备手段进行指导。目前，对n c s i ：s i 0 2 复合膜的 硅纳米晶的电致发光研究 第一章引言 电致发光机制主要有两种不同的观点，一种是d i m a r i a 提出的量子限制模型”j ， 认为发光来自s i o x 膜的纳米硅岛中电子一空穴的辐射复合另一种是秦国刚提出 的量子限制效应一复合中心发光模型脚】，这一理论认为发光与s i o x 薄膜中存在的 辐射复合中心有关，而并非来自于纳米硅。这两种观点都各自有其支持者与相关 文献【2 7 刁”，本文会就n c - s i ：s i 0 2 的电致发光这一问题进行研究及讨论，得出自 己的结论。 本论文是用真空蒸发s i o 的方法在硅基体上制备出n c s i ：s i 0 2 ，然后研究 i l c s i 的发光特性( 光致发光以及电致发光特性) ，论文的工作目标有两个：( 1 ) n c - s i ：s i 0 2 体系里面的s i 纳米晶的e l 鉴定( 2 ) s i 纳米晶e l 增强研究。 以下逐章介绍本论文的研究结果。第二章主要阐述n c s i ：s i 0 2 的制备方法， 详细介绍用蒸法反应的方法制备n c - s i ：s i 0 2 的过程，同时简单介绍对纳米晶s i 的几种常用表征方法( x p s ，x r i ) ，拉曼光谱，p l 等) 。第三章详细介绍s i 0 2 薄膜 和s i o 薄膜p l 样品的制备，通过对比它们在1 1 0 0 热处理前后的各种特性( x r d ， 拉曼光谱，p l 光谱) ，研究它们的光致发光特性。第四章详细介绍s i 0 2 薄膜和 s i o 薄膜e l 样品的制备，通过对比它们在1 1 0 0 热处理前后的e l 光谱，研究它 们的电致发光特性。然后研究不同退火时间对纳米晶s i 的p l 和e l 的影响，最 后研究多层纳米晶s i 结构的p l 和e l 特性。第五章主要研究c e f 3 掺杂对纳米晶 硅的光致发光以及电致发光的影响。 6 硅纳米晶的电致发光研究 第二章硅纳米晶的制各和表征 第二章硅纳米晶的制备和表征 2 1 纳米晶s i 的制备方法 纳米晶s i 的制备方法，主要有以下几种 ( i ) 自上而下的电化学腐蚀法，这是以前用得最广泛的方法，即将硅浸在h f 溶液中，经过阳极氧化处理而形成多孔硅结构。当孔的比例达到7 0 8 0 9 6 时，就 有纳晶s i 形成。 ( 2 ) 团簇沉积法，这种方法是先制备出s i 团簇，然后引导团簇使其沉积在基 体上形成的。这种方法的优点是可以制备尺寸较为均匀的量子点，但是复杂的工 艺限制了它的发展。 ( 3 ) 化学气相沉积法，这种方法是提供能量裂解硅烷，使s i 颗粒沉积到s i 0 2 基体上，不用后续处理，直接形成单层量子点。 ( 4 ) 蒸发s i 制备出非晶硅薄膜，然后退火形成纳米晶s i 。 ( 5 ) 制备s i o x 薄膜，退火，再结晶，这是目前使用较为广泛的生长纳米晶 s i 的方法。 2 2 镶嵌在s i 0 2 介质中的纳米晶s i 的制备方法 当纳米晶尺寸小于2 n m 时，8 0 9 6 的原子都处于表面。表面原子配位不足及高的 表面能，使其具有高的活性，容易与其它原子结合或反应，从而影响或改变纳米 晶的光学特性。所以要利用纳米晶的光学特性，必须要使其表面结构稳定。一般 用氢或者氧钝化，使表面s i 原子与氢原子或氧原子结合，稳定其性能。纳米晶 s i 镶嵌在s i 0 2 介质中，通常用n c s i ：s i 0 2 表示，这种结构中，纳米晶表面部 分悬挂键被氧饱和，所以发光性能稳定，另外n c - s i ：s i 0 2 机械性能强，所以具 有实用前景。 n c s i ：s i 0 2 制备方法有多种，常用的一种是制备非化学配比的s i 0 2 薄膜( a s i 0 0 ，再经过1 1 0 0 c 高温加热，在加热过程中形成s i 和s i 0 2 相，由于温度高 s i 呈晶态结构，形成纳米晶s i 镶嵌在s i 0 2 介质中的结构。q - s i o x 薄膜的制备 有以下几种方法： 1 ) 注入法，即将s i + 离子注入到s i 0 2 薄膜中； 2 ) c v d 或p e c v d 方法，提供能量使得s i h 4 与n 2 0 或者0 2 产生反应； 3 ) 共溅射s i 和s i 0 2 或者s i o ： 7 硅纳米晶的电致发光研究 第二章硅纳米晶的制备和表征 4 ) 脉冲激光沉积( p l d ) ，激光烧蚀s i 在氧气中冷却； 5 ) 蒸发s i o 或共蒸发s i 和s i o 。 蒸发s i o 形成非晶态s i o x 薄膜的方法【 2 l 与其他制备方法相比具有以下优点： ( 1 ) 蒸发技术简单，蒸发系统是最常用的镀膜设备； ( 2 ) 与大规模集成电路技术相兼容，s i 0 2 是硅器件以及集成电路中广泛使 用的掩膜和阻挡层，m o s 器件中的绝缘层； ( 3 ) 对于电致发光来讲，电极也是用蒸发技术沉积的。这样发光层的制备， 掩膜或绝缘层以及电极的制备都可以在一套系统中完成。 纳米晶s i 可以用于微电子器件如存储器中，在光电集成方面有巨大的潜力， 因此它的发光特性( 包括光致发光和电致发光特性) 在近年来已经成为科学家们 的研究热点。 2 3 反应蒸发s i o 制备n c s i ：s i 0 2 2 3 1 原理 在真空中( 5 x l o 。4 p a ) 蒸发s i o 粉末，使得非晶态的s i o x ( 1 ( x ( 2 ) 沉 积在s i 基体上，然后把s i 片放在氮气中在高温下进行退火处理( 通常温度是 l 1 0 0 c ) ，在高温退火过程中，非晶态的s i 仉会转变成稳定的s i 和s i 0 2 两相， 从而形成纳米硅镶嵌在二氧化硅介质中的结构。这一相分离的过程可以用以下公 式表示 研q 一之芋所+ 要& d 2 ( o x 7 0 0 a m ) 处的e l 信号明显比掺杂c e f 3 之前的样品的e l 信号强，说明掺杂后 的样品的e l 比掺杂前的样品的e l 应该在长波长处多了一个峰的组分。为了更好 的分析这一组分，我们把1 8 v 和2 2 v 的e l 谱线进行解叠，如图5 8 ( a ) ，( b ) 所 示。 0 8 6 4 2 0 1 0 0 0 0 q 童c卫ui一山。ejoz 硅纳米晶的电致发光研究第五章c e f ，掺杂对纳米晶s i 的p l 和e l 的影响 五 葫 e _ j i j j 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 ( a ) 7 0 08 0 09 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 5 0 06 0 07 0 08 0 0 9 0 0 w a v e l e n g t h ( n m l ( b ) 图5 8 掺杂c e f 3 的n c s i 的e l 光谱的解叠 ( a ) v = 1 8 v( b ) v = 2 2 v 对比图4 7 ，我们发现，除了5 5 0 n m 和6 5 0 n m 附近的峰外，掺杂后的器件的 4 l o 0 o 0 0 0 o o “ 挖 加 侣 侣 他 伯 誊calc一_1山 硅纳米晶的电致发光研究第五章c e f ，掺杂对纳米晶s i 的p l 和e l 的影响 e l 比掺杂前的器件的e l 多了一个组分：8 0 0 r i m 附近的峰，而这个峰与图5 6 ( a ) 中的8 3 0 n m 的峰相对应。它们之间的峰位的偏差( e l 谱线相对p l 来说有蓝移) ， 与前面第四章提到过的s i 0 2 薄膜的e l 相对于p l 有蓝移的原因相类似。这说明 经过c e f 3 掺杂的样品，在长波长( 8 0 0 n m 附近) 处，不仅p l 增强幅度比较大， e l 也有所增强，但是由于存在5 5 0 n m 附近的缺陷峰和6 5 0 n m 附近的短波长的 t i c s i 的峰，总体的e l 效果体现为掺杂之后峰位发生了红移，强度并没有明显 的增大。我们可以通过进一步提高器件长波长的e l 信号来提高器件整体的e l ， 这需要更加有效的c e f 3 的掺杂，进一步提高n c - s i 的发光强度，比如用本组最 近已经成功的双面掺杂方法 4 8 1 来实现。 5 5 小结 本章主要探讨了c e f 3 掺杂对纳米晶硅光致发光和电致发光的影响。发现通 过适量的c e f 3 掺杂，能够提高纳米晶硅的光致发光强度，也能改善其电致发光 性质，但是要实现可实用的硅光源，必须继续探讨更加有效的掺杂工艺，进一步 提高纳米晶硅的发光( 尤其是电致发光) 特性。 硅纳米晶的电致发光研究 第六章总结与展望 第六章总结与展望 光电子产业是2 l 世纪的支柱产业。利用现有的硅技术实现光电子器件集成 是当前光电子产业发展的一个重要趋势。镶嵌于二氧化硅基质中的硅纳米晶 ( n c s i ) 由于其发光的稳定性，结构的稳固性以及所具有的受激辐射特性，在过 去的几年里已经成为制造硅光源的优选材料。 要实现可使用的硅光源，工作中所涉及的n c s i 的电致发光研究是n c - s i 实 用化的重要步骤。 本文用蒸法s i o 的方法在硅基体上制备出镶嵌在s i 0 2 介质中的纳米晶s i ， 用x p s ，x r d ，拉曼光谱等手段对纳米晶s i 进行了表征。通过对比它们在1 1 0 0 热处理前后的p l 和e l 光谱，分析了纳米晶s i 的电致发光的性质。为了得到 更好的电致发光特性，本文还尝试用钝化、多层纳米晶s i 结构来改进纳米晶s i 的e l 特性，但是发现并没有什么效果。最后，我们发现在n c s i ：s i 0 2 掺入适量 的c e f 3 ，不仅能够提高纳米晶s i 的光致发光，还能改善其电致发光特性。提出有 效的c e f 3 掺杂能提高纳米晶硅的光致发光以及电致发光特性。但是要实现可实 用的硅光源，必须继续探讨更加有效的方法。比如说可以结合多层纳米晶s i 结 构( 可以很好的控制纳米晶粒的大小以控制其发光波长) 和c e f 3 掺杂工艺( 有 效的掺杂工艺能够极大的提高纳米晶s i 的发光特性) ，迸一步提高纳米晶硅的发 光( 尤其是电致发光) 特性。 硅纳米晶的电致发光研究参考文献 参考文献 【l 】s t u r mj c ，m a n o h a r a n h ，l c n c h y s h y nl c ，m l w t h e w a l t ，n l r o w e l l ，j - p n o e l ，a n d d c h o u g h t o n , w e l l r e s o l v e db a n d - e d g ep h o t o l u m i n e s c e n e eo f e x c i t o mc o n f i n e di ns t r a i n e d s i l x g e x q u a n t uw e l l s ，p b y s r e v 。6 6 ：1 3 6 2 - 1 3 6 5 ( 1 9 9 1 ) 【2 】t t a k a g a h a r aa n dk t a k e d a ，t h e o r yo f t h eq u a n t u mc o n f m e m e m e f f e c to ne x c i t o n si n q u a n t u md o t so f i n d i r e c t - g a pm a t e r i a l s ，p h y s r e v 4 6 ：1 5 5 7 8 1 5 5 8 1 ( 1 9 9 2 ) 【3 1 l t c a n h a m ，s i l i c o nq u a n t u mw i r ea r r a yf a b r i c a t i o nb ye l e c t r o c h e m i c a la n dc h e m i c a l d i s s o l u t i o no f w a f e r s a p p l p h y s l e t t ，5 7 ：1 0 4 6 - 1 0 4 8 ( 1 9 9 0 ) 【4 】a n a k a j i m a , y o h s h i m a , t i t a k u r aa n dy g o t o ，m i c r o s t r u c t u r eo f p o r o u ss i l i c o n , a p p l p h y s l e a 6 2 ：2 6 3l 一2 6 3 3 ( 1 9 9 3 ) 【5 】z s u i ，e p l e o n g ，1 p h e r m a n , g s h i g a s h i ，a n dh t e m k i n ，r a m a na n a l y s i so f l i g h t - - e m i t t i n g p o r o u ss i l i c o n , a p p l p h y s l e t t 6 0 ：1 0 8 6 - 2 0 8 8 ( 1 9 9 3 ) 【6 】t s u ，h s h e n a n dm d u t t a , c o r r e l a t i o no f r a m a na n dp h o t o l u m i n e s c e n c es p e c u ao f p o r o u s s i l i c o n , a p p l p h y s l e r 6 0 ：11 2 一l1 4 ( 1 9 9 2 ) 7 】s s i y e ra n dy h x i e ，l i g h te m i s s i o nf r o ms i l i c o n , s c i e n c e2 6 0 ：4 0 - 4 6 ( 1 9 9 3 ) 【g 】v l e h m a na n du g o e s e l e ，p o r o u ss i l i c o nf o r m a t i o n ：aq u a n t u mw i r ee f f e c t a p p l p h y s l e t t 5 8 ，8 6 5 8 6 7 ( 1 9 9 1 ) ( 9 jm v 聃b i k i n ，j j o m e ，e m f a u c h c t , g a l l a na n dc d e l e r u e ，e l e c t r o n i cs t a t e sa n dl u m i n e s c e n c e i np o r o u ss i l i c o nq u a n t u md o t s ：t h er o l eo f o x y g e n p h y s r e v l e t t ，8 2 ：1 9 7 - 2 0 0 ( 1 9 9 9 ) 【1 0 】g g q i n ，j l i n , j q d u a na n dg q y a o , a c o m p a r a t i v es t u d yo f u l t r a v i o l e te m i i o nw i t hp e a i ( w a v e l e n g t h sa r o u n d3 5 0n mf r o mo x i d i z e d p o r o u ss i l i c o na n dt h a tf r o ms i 0 2p o w d e r , a p p l p h y s l c t t 6 9 ，1 6 8 9 - 1 6 9 1 ( 1 9 9 6 ) ( 1 l 】s m p r o k e s ，l i g h te m i s s i o ni nt h e r m a l l yo x i d i z e dp o r o u ss i l i c o n ：e v i d e n c ef o ro x i d e r e l a t e d l u m i n e s c e n c e a p p l p h y s l e t t 6 2 ：3 2 4 4 3 2 4 6 ( 1 9 9 3 ) 【1 2 】a b s i e s y , y f n i c o l a u , a e r m o l i e f f , e m u l l e r , e g a s p a r d 。e l e c t r o l u m i n e s c e n c ef o r mn * - t y p e p o r o u ss i l i c o nc o n t a c t e dw i t hl a y e r - b y l a y e rd e p o s i t e dp o l y a n i l i n e ， t h i ns o l i df i l m s2 5 5 ：4 3 - 4 8 ( 1 9 9 5 ) 【1 3 】h i r s c h m a n , kd ；t s y b e s k o v , l ；d u t t a g u p t a , s p ；f a u c h e t , p m v o l u m e ， s i l i c o n b a s e dv i s i b l el i g h t - t m i t t i n gd e v i c e si n t e g r a t e di n t om i c r o e l e c t r o n i cc i r c u i t s ， n a t u r e3 8 4 ：3 3 8 - 3 4 】n 9 9 6 ) 【1 4 】j p z h a n g ，k l j i a o w p s h e n , h i g h l ys e n s i t i v ep h o t o d e t e c t o ru s i n gp o r o u ss i l i c o n a p p l p h y s l e t t 6 1 ( 4 ) ：4 5 9 - 4 6 1 ( 1 9 9 2 ) 【1 5 】h t a k a g i ，h o g a w a , y y u m a z a k i 。a i s h i z a k i ，a n dt n a k a g i r i 。q u a n t u ms i z ee f f e c t so n p h o t o l u m i n e s c e n c ei nu l t r a f i n es ip a r t i c l e s ，a p p l ，p h y s l e t t 5 6 ；3 7 9 - 2 4 8 1 ( 1 9 9 0 ) 【1 6 】l p a v e s i ，l d n e g r o ，c m a z z o l e n i ，gf r a n z oa n df p r i o l o ，o p t i c a lg a i ni ns i l i c o n 硅纳米晶的电致发光研究参考文献 n a n o c r y s t a l s ，n a t u r e ，4 0 8 ：4 4 0 - 4 4 4 ( 2 0 0 0 ) 1 7 】g ，f r a n z 6 ，a n df p d o l o ，r o o m - t e m p e r a t u r ee l e c t r o l u m i n e s c e n c ef r o me r - d o p e d c r y s t a l l i n es i a p p l i e dp h y s i c sl e r e m 6 4 ( 1 7 ) ：2 2 3 5 - 2 2 3 8 ( 1 9 9 4 ) 【1 8 】a p o l m m l e r b i u mi m p l a n t e dt h i nf i l mp h o t o n i cm a t e r i a l s ，j a p p l p h y s 8 2 ：1 3 9 ( 1 9 9 7 ) 【1 9 】f ，l a c o n a d p a c i f i c i ，a i r r e r a m m i r i t e l l o g f r a n z 6 f p r i o l o ，d s a n f i l i p p o g d s t e f a n oa n dp ! g f a l l i c a e l e c t r o l u m i n e s c c n c ea t1 5 4p mi ne r - d o p e ds ia n o c l u s t e r - b a s c d d e v i c e sa p p l i e dp h y s i c sl e r e m ，8 1 ：3 2 4 2 - 3 2 4 4 ( 2 0 0 2 ) 【2 0 】s t n n g ，x - n l i u , x 一m b a o ，s t u d yo f p h o t o l u m i n e s c c n c ei nn a n o c r y s t a l l i n e s i l i c o n a m o r p h o u ss i l i c o nm u l t i l a y e r s ，a p p i p h y s ，6 6 ：4 6 9 - 4 7 0 ( 1 9 9 4 ) 【2 l 】z h l 吗d j l o c k w o o da n dj - m b a r i b e a u , q u a n t u mc o n i n e m c n ta n dl i g h te m i s s i o ni n s i 0 2 ，s is u p e r l a t t i c c s ，n a t u r e ，3 7 8 ：2 5 8 - 2 6 0 ( 1 9 9 5 ) 【2 2 】m z a c h a r i a s ，j h e i t m a n n , s c h o l z , u k i i l i 盯，m s c h m i d ta n dj b l a s i n g ， s i z e - c o n t r o l l e dh i g h l yl u m i n e s c e n ts i l i c o nn a n o c r y s t a i s ：as i o s i 0 2s u p e r l a t t i c 2a p p r o a c h , a p p l p h y s l e t t ，8 0 ：6 6 1 - 6 6 3 ( 2 0 0 2 ) 【2 3 】m f u j i i ，a m i m u r a , s h a y a s h ia n dky a m a m o t o ，p h o t o l u m i n e s c c n c ef o r ms in a n o c r y s t a l s d i s p e r s e di np h o s p h o s i l i c a t eg l a s st h i nf i l m s ：i m p r o v e m e n to f p h o t o - l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y a p p l p h y s l