富硅氮化硅薄膜体系电致发光器件研究

摘要

随着半导体芯片集成度的进一步提高，以电子为信息载体的金属互联存在的RC延迟及热耗散成为制约超大规模集成电路发展的瓶颈。采用光互连代替电互联将有效解决这一问题，而寻找高效的硅基光源更是解决这一问题的关键。近年来，富硅氮化硅(SiNx)薄膜由于其良好的发光特性及制备工艺与传统CMOS工艺兼容而受到广泛关注，成为硅基光源的候选材料之一。
　　 本论文研究了富硅氮化硅薄膜体系的电致发光器件，包括基于单层SiNx薄膜、SiNx/a-Si/SiNx三明治结构薄膜以及引入SiO2电子加速层的SiO2 on SiNx结构薄膜的三种电致发光器件，取得以下主要成果：
　　 (1)SiNx薄膜电致发光源于禁带内的缺陷态能级的复合，发光峰位位于600nm处，主要来自于Ec→≡Si-之间的电子辐射跃迁；相同的输入功率下，采用p-Si作为衬底能够提高器件的EL强度，采用p+/p Si作为衬底能够有效降低器件的开启电压；经三步热处理后器件的开启电压降低。
　　 (2)对于SiNx/a-Si/SiNx三明治结构薄膜，当a-Si层沉积时间为60s时，高温热处理后器件的开启电压降低且EL积分强度提高。可能原因是a-Si层经过高温热处理后形成了颗粒尺寸较小的Si的非晶纳米颗粒，有利于载流子注入SiNx薄膜，载流子的浓度提高，一定程度上使得电子与空穴的复合效率提高，EL发光出现增强。
　　 (3)SiO2电子加速层的引入能够提高器件的EL强度，原因在于经SiO2层加速后的高能电子进入发光层后，将对SiNx进行轰击离化，激发出更多的载流子，导带上的电子浓度提高，电子与空穴的注入水平趋于平衡，使得电子与空穴的复合效率提高；EL强度与SiO2电子加速层的厚度有关，当SiO2层厚度减小为25nm，EL强度进一步增强，说明一定厚度范围内，在保证电子加速作用的同时，SiO2层厚度的减小有利于电子的注入。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1本课题的研究意义及背景

2.1.1硅基光电子的背景和意义

2.1.2硅基光电子学

2.2硅基光电子材料的研究进展

2.2.1能带工程

2.2.2缺陷工程

2.2.3纳米结构

2.3氮化硅薄膜体系发光器件的研究进展

2.3.1单层氮化硅薄膜的电致发光研究

2.3.2多层氮化硅薄膜的电致发光研究

2.3.3氮化硅薄膜的电致发光机制研究

2.4本论文的研究意义

第三章 SiNx薄膜电致发光器件的制备及测试

3.1 PECVD薄膜沉积系统

3.2椭偏光谱仪

3.3电极沉积设备

3.3.1磁控溅射及电子束蒸发设备

3.3.2磁控溅射法制备ITO电极

3.3.3电子束蒸发法制备Al电极

3.4后续热处理设备

3.5光电性能测试设备

第四章 单层SiNx薄膜的发光性能研究

4.1引言

4.2实验

4.2.1衬底清洗

4.2.2薄膜的沉积及EL器件的制备

4.2.3薄膜的表征

4.3单层氮化硅薄膜的光电性能测试

4.3.1 p型Si衬底掺杂浓度对SiNx薄膜EL发光的影响

4.3.2常规热处理对薄膜电致发光的影响

4.3.3三步热处理对薄膜发光的影响

4.4 SiNx薄膜的发光机理

4.5本章小结

第五章 SiNx/a-Si/SiNx薄膜的发光性能研究

5.1引言

5.2实验

5.3结果与讨论

5.3.1光致发光

5.3.2电致发光及I-V曲线

5.3.3 C-V特性曲线

5.3.4电学输运机制

5.4本章小结

第六章 SiO2 on SiNx结构薄膜发光性能的研究

6.1引言

6.2实验

6.2.1样品制备

6.2.2性能测试

6.3结果与讨论

6.3.1 SiO2的表面形貌

6.3.2 SiO2 on SiNx结构的光致发光

6.3.3 SiO2 on SiNx结构的电致发光

6.3.4 SiO2 on SiNx结构的I-V特性曲线

6.4衬底温度对EBE生长SiO2薄膜的影响

6.5本章小结

第七章 全文总结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文