含硅量子点氮化硅薄膜的发光特性及载流子输运机理研究

摘要

硅量子点由于其独特的量子限域效应特性在发光二极管和太阳能电池等领域具备巨大潜力。特别地，含硅量子点氮化硅薄膜由于其良好的光学特性，且制备方式与现行成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相兼容等优势成为极具潜力的硅基光源候选材料之一。然而，截至目前，对于含硅量子点氮化硅薄膜发光机制的探讨还未有定论，量子限域效应（QCE）发光，带尾态发光和界面态发光等多种机制被提出；硅量子点发光器件的载流子输运与硅量子点密度、缺陷态分布等密切相关，也需进行深入分析；此外，当前硅量子点器件的发光效率依然很低，有待提高。基于此，本文采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方式沉积氢化非晶氮化硅（α-SiNx:H）薄膜，经退火工艺凝析出硅量子点；研究了硅量子点生长规律以及氮化硅薄膜的微结构及光致发光（PL）性能；制备了硅量子点发光器件并探索了其电致发光（EL）来源及其载流子输运机理。本文主要的研究结果如下：
　　通过调控NH3/SiH4流量比制备了富硅程度不同的α-SiNx:H薄膜，获得了优化的晶硅量子点和非晶硅量子点制备工艺；分析了退火过程中氮化硅薄膜的微结构演变及硅量子点的生长机理。研究发现，退火处理导致薄膜内Si-H和N-H键断裂，H将逃逸出薄膜，且薄膜内趋向于形成化学剂量比的氮化硅。依据Raman谱，薄膜的富硅程度决定了硅量子点的生长状况。富硅含量过高时，将导致硅量子点接连生长；而当薄膜富硅程度太低时，将无法生长硅量子点。UV-Vis吸收谱研究发现，H的逃逸显著地降低了薄膜的光学带隙；硅量子点的长大与晶化也影响着其光学带隙。
　　引入325 nm和532 nm两波长激光研究了薄膜退火前后的PL特性；探索了退火温度、时间对于薄膜PL的影响；结合UV-Vis吸收谱阐明了氮化硅薄膜PL来源。对于1100℃退火后有晶硅量子点析出薄膜，在325 nm波长激发下，退火前后PL谱中均有~1.75 eV源于缺陷态的发光峰；未退火样品主峰来源于非晶硅量子点QCE发光；经1100℃退火后薄膜PL由晶硅量子点的QCE发光占据主导。然而，在532 nm波长激发下，缺陷态发光被掩盖；800℃和950℃退火薄膜的PL来源于带尾态发光；而未退火和1100℃退火样品，其PL来源并未改变，且1100℃退火样品展现激发波长尺寸选择激发。对于1100℃退火后析出有非晶硅量子点氮化硅，其在325 nm波长激发下退火前后的PL来源于缺陷态发光和氮化硅本身固有的发光。在532 nm波长激发下，未退火及800℃和950℃退火样品的PL均源自带尾态发光；而1100℃处理后薄膜的PL由非晶硅量子点的QCE发光占据主导。
　　设计制备了ITO/SRN（Si QDs）/p-Si/Al结构发光器件，对EL谱高斯分峰并对比PL谱分析了EL来源；依据I-V数据进行各可能传导机制拟合，获得了发光器件在各工作区域的载流子输运机理。研究发现载流子遂穿过程中出现择优路径选择，导致分散发光亮点的出现。对于含晶硅量子点氮化硅发光器件，其EL主要来源于缺陷态，仅在含硅量子点密度较大器件EL谱中发现~1.58 eV的子峰，其来源于晶硅量子点的QCE发光。载流子输运依赖于薄膜中富硅含量，F-N和 TAT隧穿在载流子传输中均可能占据主导。而对于含非晶硅量子点氮化硅发光器件，其EL来源于非晶硅量子点的QCE发光；此外，基于 F-N和 SCLC隧穿机制的载流子输运在场强为0.55~1.55 MV/cm和场强大于1.55 MV/cm区域分别占据主导。制备了Si/SiNy和SiNx/SiNy两种含硅量子点多层结构发光器件，发现其EL和PL均位于~590 nm，来源于晶硅量子点的QCE发光，而载流子输运分别由TAT遂穿和F-N遂穿占据主导。

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1 绪 论

1.1 硅基光源

1.2 硅量子点的特性及应用

1.3 含硅量子点氮化硅发光器件面临的挑战

1.4 硅量子点生长与氮化硅薄膜沉积

1.5 氮化硅薄膜的发光及载流子输运研究进展

1.6 本文主要工作及结构

2 含硅量子点氮化硅薄膜的制备及分析方法

2.1 引言

2.2 含硅量子点氮化硅薄膜的制备

2.3 含硅量子点氮化硅薄膜表征

2.4 本章小结

3 富硅氮化硅薄膜中硅量子点生长机理及微结构演化

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

4 含硅量子点氮化硅薄膜光致发光机理研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5 含硅量子点氮化硅薄膜电致发光及载流子输运机理

5.1 引言

5.2 含硅量子点氮化硅LED设计及制备

5.3 含硅量子点氮化硅LED电致发光及载流子传输机理

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利