a-Si/a-SiNx超晶格材料的发光与非线性光学效应的研究

摘要

近年来硅基纳米材料的研究已成为光电子领域中的一个新的热点,它的核心问题是如何实现高效率的硅基发光器件,以便于同其他的硅基光电子器件和微电子器件做在同一芯片上,实现单片光电子集成。氮化硅作为一种重要的薄膜材料，具有良好的绝缘性、致密性和稳定性，在微电子材料和器件的生产过程中，氮化硅作为钝化膜、绝缘层、扩散掩膜等得到越来越广泛的应用。本论文研究了a-Si/a-SiNx超晶格材料的制备技术，材料的微结构，光吸收以及光发射等光学性能；利用Z-扫描研究了a-Si/a-SiNx超晶格材料的非线性光学特性。 本文采用射频磁控反应溅射技术，以Ar为溅射气体、N2为反应气体沉积了a-Si/a-SiNx超晶格材料。通过控制实验参数制备了不同势垒宽度和势阱宽度的a-Si/a-SiNx超晶格材料，并利用热退火技术对其进行后处理。利用红外光谱(IR)、X射线衍射谱(XRD)、能谱(EDS)和光致发光谱(PL)，对不同工艺条件下薄膜样品的成分、结构和发光特性进行研究。研究表明，当a-SiNx层厚度不变，材料的光学带隙随a-Si层厚度的增加而减小；当a-Si层厚度不变，材料的光学带隙随a-SiNx厚度的增加而减小，该结果是由材料的量子限制效应所决定的。室温下观察到材料的可见发光峰，该发光机制主要来源于材料的量子限制效应。 通过皮秒脉冲激光单光束Z-扫描技术研究了该材料的三阶非线性光学特性，激发波长分别为1064nm、532nm。实验结果表明，在1064nm激光激发下，样品的非线性折射率为负值，非线性吸收属于双光子吸收，由实验数据得材料的三阶非线性极化率为1.28×10-7 esu；在532nm激光激发下，样品的非线性折射率为负值，非线性吸收属于反饱和吸收，由实验数据得材料的三阶非线性极化率为1.46×10-7 esu，该值比体硅材料的三阶非线性极化率值大5个数量级。对材料光学非线性产生的机理进行了探讨，认为材料的非线性极化率的增加来源于材料量子限制效应的增强。