掺硼富硅氧化硅可调光致发光研究

摘要

体硅由于是间接禁带半导体，因而其发光性能很差。但是当硅晶体的尺寸降为纳米尺寸时，带来了新的光学特性。自从在硅纳米晶镶嵌二氧化硅体系即富硅氧化硅中发现了光增益以来，硅基激光器的实现成为了可能。通过在富硅氧化硅薄膜中掺杂，明显地提高了薄膜的导电性，这使得硅基光电子器件的实现也成为了可能。同时，富硅氧化硅薄膜可以利用PECVD、PVD等方法制备，与目前大规模集成电路制造工艺相兼容，使得硅纳米材料与其他纳米材料相比，应用更为简单、更具有吸引力。尽管富硅氧化硅薄膜具有如此多的优点，但是到目前为止，富硅氧化硅的光致发光机理依然存在很大的争议。一方面，纳米尺寸的硅晶体由于量子限制效应表现出良好的发光性能，通过调节硅纳米晶的尺寸可以调节薄膜光致发光的波长。另一方面，硅纳米晶与基体二氧化硅之间的界面在富硅氧化硅的光致发光中也扮演着重要的角色。因而，对富硅氧化硅的光致发光的原由的探究就非常有意义，对其今后的应用也会起到重要的指导作用。本文通过硼原子的掺杂在硅纳米晶与基体二氧化硅之间的界面中引入辐射复合缺陷，并借掺杂浓度的变化来调节辐射复合缺陷的种类和密度的变化，希望对掺硼富硅氧化硅薄膜的发光机理给予揭示。
　　在本文中，我们利用磁控溅射和PECVD制备了未掺杂和掺硼富硅氧化硅薄膜，发现掺硼富硅氧化硅薄膜的光致发光色彩具有可调性。在以上研究的基础上，获得了如下创新结果：
　　1、未掺杂样品由于硅纳米晶的量子限制效应表现出了红光发光，而掺杂样品的发光有明显的蓝移，并且表现出依赖掺杂含量的色彩可调性。
　　2、揭示了掺硼富硅氧化硅的发光来自于硅纳米晶与基体二氧化硅之间的界面上的缺陷即发光中心。发光中心分别为弱氧键、中性氧空位和 Eδ’centers。其中中性氧空位和Eδ’centers属于缺氧中心，而我们证明了B原子的掺杂有利于硅纳米晶与基体二氧化硅之间的界面中的缺氧中心的形成。
　　3、通过改变掺硼量可以调控不同缺陷之间的比例，比例变化导致了掺硼富硅氧化硅光致发光色彩的可调性。因此有可能通过精确地控制硼元素的掺杂含量来调控掺硼富硅氧化硅光致发光的色彩，这有可能在荧光粉和硅基光电子器件中有重要的应用。
　　4、此外我们通过PECVD和磁控溅射制备了低掺硼量、中等掺硼量和高掺硼量三组样品，研究了硅纳米晶与发光中心的关系以及整个掺硼富硅氧化硅体系的发光色彩可调性。

目录

声明

第一章 绪论

第二章 文献综述

2.1概况

2.2硅纳米晶材料的制备方法

2.3富硅氧化硅薄膜发光机制

2.4 掺杂富硅氧化硅[64~69]

2.5 本章小结

第三章 材料制备和测试设备

3.1样品的制备方法与设备

3.2 样品的测试与设备

第四章 掺硼富硅氧化硅发光机理的研究

4.1 引言

4.2样品表征

4.3发光性能

4.4硅纳米晶发光的淬灭

4.5掺硼富硅氧化硅发光来源

4.6本章小结

第五章 掺硼富硅氧化硅可调光致发光研究

5.1前言

5.2低掺硼量

5.3中等掺硼量

5.4高掺硼量

5.5本章小结

第六章 全文总结

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间主要的研究成果