sisinx多层膜结构中亚层的带隙宽化

sisinx多层膜结构中亚层的带隙宽化

优质硅材料是现代集成电路行业的基础，技术高度成熟。它是人类最深入、最了解、应用最广泛的材料之一（硅材料的产量约占半丝器总产值的95%）。晶体硅具有导致结构，具有低发光率（约百万分）。人们普遍认为，它不能用作光化学材料。然而，自90年代以来，坎霍发现了一个非常强大的灯丝硅（psi），它具有很强的温室光致发光。在蓝色和紫外的激发下，多孔硅的光传播波长通常为650k-800nm。1992年，研究团队首次采用了沸水后的处理工艺，对多孔硅的蓝色发射进行了（蓝色是印刷中不可缺少的三个基色成分之一）。为了实现所有硅材料的融合，我们希望提出至少30个模型。请参考。在应用上，psi结构的光致发光稳定性很差，容易分解，不利于进一步的设备应用。因此，研究新的硅基发光结构，不仅有助于理解pl的起源，而且可以改善硅基发光结构的光致发光稳定性，进一步缩短从基础研究到实际应用的距离。为了提高硅基发光率，可以采用它。另一方面，它延伸了si3n4带的宽度，是一种非常好的纳米硅限制材料。另一方面，引入氮的引入可以减少硅和硅之间的界面畸变，提高硅材料的光致动量效率。量子阱结构模型是一种解释硅纳米结构的有效方法,已有不少研究组报道了a-Si/SiO2、a-Si/SiNx结构可见光致发光(PL)的相关研究.一般地,a-Si/SiNx量子阱结构中Si的带隙为1.1eV,SiNx带隙为4.6eV.理论上讲,a-Si/SiNx结构的带隙可以在1.1～4.6eV的范围变化.通常,a-Si/SiO2系统可以获得较好的发光增加效果,但是SiO2中Si电子的电致发光所需的电场强度大于6MV/cm,空穴则需10MV/cm,这一电场强度接近于SiO2的击穿电圧;而SiNx(x=1.33)的带隙为4.6eV,Si-Si3N4界面处的电子和空穴的势垒为2.0eV和1.5eV,因此电子和空穴SiNx所需要的电场强度仅为2～4MV/cm,远低于SiO2的击穿场强.因此制备Si/SiNx多层膜将有可能获得强的Si电致发光,它比a-Si/SiO2多层膜结构在发光二极管(LED)中的应用更有优势,因此Si/SiNx多层膜的研究近来引起了人们的极大兴趣.本文将应用Kronig-Penney(K-P)模型从理论上探讨Si/SiNx多层膜结构中的Si量子阱的电子结构,以期能够对此类多层膜发光结构的进一步实验研究提供有用的理论指导.1多层膜载流子有效质量的计算Si/SiNx多层膜结构的有效势垒如图1所示,Si量子阱被限制在SiNx势垒中,阱层的厚度为d,SiNx层的厚度为b,势垒高度为V1e,1h,Si/SiNx多层膜结构的周期长度l1=d+b,横向的量子限制被忽略,z为传播方向.为了减少粒子对能带结构计算的影响,认为电子和空穴没有联系.Si/SiNx多层膜结构粒子势场为⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪V(z)={0,0<z<d,V1e,1h,−b<z<0,−b<x<d,V(z)=V(z+nl1),n=0,±1,±2,其它区域,(1){V(z)={0,0<z<d,V1e,1h,-b<z<0,-b<x<d,V(z)=V(z+nl1),n=0,±1,±2,其它区域,(1)其中,e和h分别对应电子和空穴.将利用有效哈密顿He,h计算电子和空穴状态,He,h表示为He,h=−h28π2m∗e,hd2dz2e,h+V(ze,h),(2)Ηe,h=-h28π2me,h*d2dze,h2+V(ze,h),(2)其中,m*e,h是载流子的有效质量.基于得到的哈密顿量He,h,采用有效质量理论(EMT)和能带近似法(BPA)进行计算,忽略阱层和势垒之间有效质量的变化,则得到Hamiltonian(He,h)的特征方程如下cos(kz,e,hl1)=β2e,h−α2e,h2αe,hβe,hsinh(βe,hb)sin(αe,hc)+cosh(βe,hb)cos(αe,hc),(3)cos(kz,e,hl1)=βe,h2-αe,h22αe,hβe,hsinh(βe,hb)sin(αe,hc)+cosh(βe,hb)cos(αe,hc),(3)其中αe,h=8π2m∗e,hEe,h/h2−−−−−−−−−−−−√,βe,h=8π2m∗e,h(V1e,1h−Ee,h)/h2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√,αe,h=8π2me,h*Ee,h/h2,βe,h=8π2me,h*(V1e,1h-Ee,h)/h2,kz,e,h是波矢,与z方向平行.接下来再计算确定Ee,h的特征值.通过求解方程(3),可以获得Ee,h～kz,e,h色散关系,改变参数可得到相应的能带结构.利用色散曲线还可能得到Si/SiNx多层膜中的载流子有效质量.2结果和讨论2.1si/sinx超晶带隙计算量子点超晶格结构的Ee,h～kz,e,h色散关系的参数分别为:m*e/m0=0.36,m*h/m0=0.154,V1e,1h=2.0eV,V2e,2h=1.5eV.通过改变各亚层的厚度,可以得到Si/SiNx超晶格结构Γ1和Γ2能带间电子能级的变化.当Si层(或SiNx层)的厚度发生变化时,SiNx层(或Si层)的厚度保持为1nm不变.不管是随着各Si或SiNx亚层厚度的减小,Si量子阱中电子能级明显发生宽化.此外还计算了空穴能带结构随Si层厚度的变化情况,计算显示空穴的带隙结构随各亚层的变化趋势与电子情况较为相似.结果发现随着厚度的变化,带隙也发生了宽化,只是相对于电子、带隙的数值偏小.这一计算结果显示了空穴在超晶格中的局域特性,即由于电子和空穴有效质量的不同所引起的.计算宽化后的电子和空穴能级之间的距离就可以得到Si/SiNx超晶格的带隙.Si/SiNx超晶格带隙随Si或SiNx亚层厚度的变化曲线如图2所示.显然,SiNx层(或Si层)的厚度保持为1nm不变,在膜层厚度较小的情况下无论改变Si或SiNx亚层厚度都能观察到带隙随Si或SiNx亚层厚度的增大而明显减小.这表明,只有在Si或SiNx亚层厚度较小的时候,Si量子阱的量子效应才表现得更为显著.可以看到,Si/SiNx超晶格带隙随SiNx亚层厚度的变化比Si亚层的影响更灵敏.当SiNx亚层厚度超过3nm之后,超晶格带隙的变化就非常小了.因此,在制备这类超晶格的时候,若要获得显著的量子效应,就必须把SiNx亚层控制在很薄的厚度才行.最近,H.Dong等利用等离子增强化学气相淀积法(PECVD)在保持SiNx亚层的厚度为3nm的条件下制备了Si/SiNx超晶格.电致发光测量发现,当Si亚层的厚度从1nm增加到4nm时,超晶格的光能隙从1.88eV减小到1.65eV,他们把此变化归因于量子尺寸效应所致.为此,把SiNx亚层的厚度设为1nm和3nm,SiNx的带隙选择为3.2eV(H.Dong等的实验测得结果),Si的带隙选择为1.6eV(一般含氢非晶硅光能隙的为1.6～1.7eV)计算了Si/SiNx超晶格带隙随Si亚层厚度的变化.计算发现,当SiNx亚层的厚度为3nm时,超晶格带隙tSiNx=1nm的情形变化更明显,如图3所示.而且,SiNx亚层的厚度为3nm时超晶格带隙变化与实验结果也符合得相当好.值得注意的是,计算得到的带隙比实验值略小.这一现象从有关实验事实不难理解:在用PECVD生长的Si/SiNx多层膜中,当Si层很薄的时候,非晶硅的生长因为受到SiNx亚层的限制易于形成纳米晶结构,这些在Si层中存在的纳米Si将导致更显著的量子效应,即Si亚层的能级展得更宽.而基于K-P模型的计算仅仅考虑的是理想的薄膜结构,因此计算得到的带隙比实验值略小.2.2si/sinx超晶结构中电子有效质量的随通过计算Si/SiNx超晶格的纵向色散关系,发现该系统第一激发态有扩散更强的趋势.进一步计算了这类超晶格的纵向有效质量.由于前面的计算中所引用的有效质量为硅体材料的有效质量数值,而且没有考虑到载流子有效质量在各层之间的变化.考虑到当Si/SiNx超晶格各亚层厚度较小时,膜层厚度将对有效质量产生较大的影响,将进一步计算膜层厚度对有效质量的影响.由于实验上一般只研究Si亚层厚度对Si/SiNx超晶格光电性能的影响,因此,我们只计算电子有效质量随Si层厚度的变化.表1给出了当SiNx亚层厚度为1nm时超晶格电子有效质量随Si层厚度的变化(有效质量均以自由电子m0为单位进行计算).从表1可以看到,在Si/SiNx超晶格结构中当Si层厚度减小时,电子和空穴的有效质量均减小,表明势场对载流子的束缚作用减小,有利于对载流子复合发光的控制.既然电子和空穴的有效质量对载流子输运、复合发光等都有影响,因此我们的计算对Si/SiNx超晶格结构中的电导和发光研究能够具有重要意义.3si亚层