硅基发光材料研究

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1、硅基发光材料研究物理学院08级洪凌宇摘要针对了两种硅基发光材料—富硅氮氧化硅和镱稀释硅酸铒进行了一系列探索性研究。在富硅氮氧化硅材料中，同时观察到三类不同机制的光致发光光谱，分别是，镶嵌在材料中的硅纳米微晶对应的红至近红外的发光，硅悬挂键或氧缺陷对应的位于410nm以及氮相关辐射复合中心位于515nm处的光致发光。在硅酸铒材料体系中，尝试制备了电致发光器件，改善了电学性能。优化之后的器件可以观察到1540nm处铒离子的电致发光。一．引言随着芯片数据处理能力的不断提高，其间的数据连接将由传统的电路转变为具有更大带宽和数据传输密

2、度的光路，所谓硅基光互连。要在硅片上实现光互连，就必须有能够产生光，引导光，对光进行调制、放大和探测的材料和器件，并且它们的制备要与超大规模集成电路工艺兼容。到目前为止，硅基低损耗波导，调制器，放大器，光开关，探测器等都己纷纷被实现，只有单色性好的光源，仍然在不断探索之中。现有的较典型的方法是用硅基底和传统的Ⅲ-Ⅴ族发光材料贴片形成的混合光源，然而这种方法除了晶格失配导致的材料质量下降问题以外，最大的问题就是材料本身与集成电路工艺不兼容，如果将它们引入会引起不必要的玷污和高昂的成本。因此，基于硅材料的光源仍然是最理想的候选者

3、之一。自90年代多孔硅光致发光的发现以来，硅基光源的研究就从未停滞，要实现实用的硅基光源，关键是实现电致发光。早在多孔硅研究热潮的90年代人们就已经致力于研究硅基电致发光，Fauchet等[1]在1996年的Nature上发表的文章中将热氧化多孔硅LED集成到微电子电路里，其开启电压已降低至2V，调制速率也已提高至1MHz，外量子效率达到了0.1%。然而，由于多孔硅的制备工艺（主要是电化学腐蚀）和CMOS工艺并不兼容，且其稳定和耐用性很差，因此这种材料并不能用于制造适合商用的LED或者激光器件。此后，人们对各种材料体系进行了

4、大量的研究，包括富硅二氧化硅，掺Er（富硅）二氧化硅，纳米硅多层量子阱等等。然而就现阶段而言，实用的单片集成的硅基光源仍未实现。本文将对作者在这一方向独立或合作完成的一些工作进行阐述和讨论。二．富硅氮氧化硅材料中的光致发光研究近两年，氮化硅或氮氧化硅相关材料引起了学术界一定的关注，其原因在于氮化硅体系较小的带隙（因此电子空穴注入将面临较小的势垒）以及氮相关发光中心被利用制成发光器件的可能。由于目前尚不能完全确定具有发光活性的氮元素在此类材料中所处的电子态，因此这方面的研究仍然是探索性的。我们研究了富硅氮氧化硅材料的光致发光特

5、性，观察到了三类不同的发光机制，分别为硅纳米晶的激子复合发光(波长范围600nm至800nm)，氧缺陷或硅悬挂键相关的发光（波长410nm），氮相关发光（510nm）。详细讨论已撰写成论文，如下：Simultaneousobservationofphotoluminescencefromsiliconnanoclustersanddefect-relatedstatesinsilicon-richsiliconoxynitridefilmsAbstract:Silicon-richsiliconoxygennitridefi

6、lmswerefabricatedbythePlasma-EnhancedChemicalVaporDeposition(PECVD)method.Thephotoluminescencefromsiliconnanoclusters(Si-NCs)anddefect-relatedstateswereobservedsimultaneouslyupon514.5nmand325nmlaserexcitation.The410nmemissionpeakupon325nmexcitationwasattributedtoox

7、ygenvacancyduetothequenchingoftheluminescenceafterannealinginN2/O2ambient.The512nmemissionpeakwasfoundtoberelatedwithnitrogendefectsbecausetheemissionintensitywasdirectlyrelatedwiththenitrogenconcentration.Under514nmexcitation,clearredshiftoftheredemissionpeakdueto

8、theSi-NCswasobserved.1.IntroductionAmongthevariousapproachestorealizelightemissionfunctionsonsilicon,whichisoneofthemostimportantsemiconductorsfo