镶嵌在SiO介质中的纳米晶Si的制备及其光致发光特性研究

摘要

室温下观察到多孔硅和纳米晶硅发光，打开了Si基光电集成的大门，多孔硅的脆性和来源于制备过程的化学污染限制了它在光电器件中的应用。但是镶嵌在二氧化硅介质中的纳米晶硅(nc-Si/SiO2)因机械强度高，发光稳定性好，制备方法与集成电路制备方法相兼容，所以具有广阔的应用前景。　　制备nc-Si/SiO2方法很多，最常用的方法是先制备SiOx薄膜，再进行高温热处理。热处理过程中发生相分离，形成Si和SiO2相。本文用真空蒸发镀膜技术在Si或二氧化硅基体上制备SiOx薄膜，经过后续处理形成nc-Si/SiO2体系。用X射线光电子谱(XPS)和X射线衍射谱(XRD)及拉曼谱(Raman)对未经过热处理的SiOx薄膜和经过1100℃热处理形成的nc-Si/SiO2体系进行了表征。　　本文首先研究了SiOx薄膜在不同温度下热处理后的光致发光特性，以更好地理解纳米晶Si光致发光。从分子动力学角度分析薄膜热弛豫过程，结合拉曼谱分析，确定峰位在620nm的荧光主要是缺陷荧光，但不排除Si团簇荧光。峰位在710nm的荧光来自于nc-Si。特别讨论了为什么900℃热处理后荧光很弱的问题。　　量子点最基本的特性是具有量子尺寸效应。所谓量子尺寸效应是指随着尺寸的减小(或增大)，量子点发射的荧光峰能量位置蓝移(或红移)。　　最后一个问题是如何在量子尺寸效应基础上进一步提高nc-Si的荧光强度。因为至今尚没有Si基激光器，所以提高nc-Si发光强度具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：指导小组

第一章引言

1.1硅基光电集成必要性

1.2改善硅光发射的方法

1.3半导体纳米晶，量子点和量子约束效应

1.4 Si量子点发光研究进展和现状

1.5本文的工作目标

1.6论文的安排以及取得的主要成就

第二章镶嵌在SiO2介质中的纳米晶Si的制备和表征

2.1纳米晶的制备方法

2.2纳米晶硅制备方法

2.3镶嵌在SiO2介质中的纳米晶Si的制备方法

2.4蒸发SiO制备nc-Si/SiO2

2.4.1原理

2.4.2制备过程

2.5 SiOx薄膜和nc-Si的表征

2.5.1 SiOx薄膜成分分析

2.5.2 1100℃热处理前后薄膜的拉曼谱

2.5.3 1100℃热处理前后薄膜的XRD谱

2.5.4纳米晶硅的光致发光谱

2.6总结

第三章SiOx薄膜相变及荧光分析

3.1实验

3.2荧光谱随热处理温度的演变

3.2.1 900℃以下温度热处理后的荧光谱

3.2.2 900℃以下温度热处理且钝化后的荧光谱

3.2.31100℃热处理的SiOx薄膜钝化前后PL谱

3.3拉曼谱分析

3.4荧光分析

3.4.1 nc-Si形成的微观过程

3.4.2氧缺陷荧光机制

3.4.3 Si团簇荧光

3.4.4 900℃热处理后荧光讨论

3.5进一步认识nc-Si/SiO2荧光

3.6总结

第四章nc-Si/SiO2可调荧光研究

4.1体现量子尺寸效应的方法

4.2 SiOx薄膜厚度与PL能量峰位关系

4.3模型及解释

4.5沉积速率与荧光强度关系

4.6总结

第五章镶嵌在SiO2介质中的纳米晶Si光致发光机制研究

5.1氧的作用

5.2 nc-Si/SiO2结构的界面层

5.3荧光谱随热处理时间的演变

5.4结果分析

5.4.1用“three-region”模型分析

5.4.2荧光谱拟合

5.4.3荧光起源分析

5.5结论

第六章CeF3掺杂提高镶嵌在二氧化硅介质中的纳米晶硅的荧光强度

6.1关于CeF3

6.2能量传递

6.3掺杂工艺

6.4掺杂结果

6.4.1 CeF3薄膜的荧光

6.4.2“一步”法掺杂

6.4.3“两步”法掺杂

6.5荧光增强机制研究

6.6二氧化铈掺杂

6.7总结

第七章总结和展望

参考文献

致谢

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