銪摻雜富硅氧化硅薄膜的光電性能研究.pdf

1、硅基光源是硅基光電子的重要組成部分，也是硅基光電子發(fā)展所面臨的首要問題之一，但由于晶體硅的間接帶隙特性，使得其不適合應用于光學有源器件中。稀土離子，由于具有熒光強度高，單色性好，性能穩(wěn)定等特性而受到廣泛關注。因而硅基稀土發(fā)光器件有可能用于硅基光電子所需光源。本文就稀土銪摻雜的富硅氧化硅薄膜的光學和電學性能進行研究，探索其作為硅基光源的途徑。
　　 銪摻雜的富硅氧化硅薄膜是通過電子束蒸發(fā)法(EBE)進行制備，銪的摻雜劑量是通過蒸發(fā)

2、源中的摻雜劑量進行控制。通過對薄膜制備條件以及后續(xù)熱處理過程與發(fā)光特性(PL)間的關系進行了詳細研究，并將薄膜制備成MOS器件，實現(xiàn)其電致發(fā)光，并探索了提高電致發(fā)光強度的途徑，我們得出以下結論：
　　 第一，通過電子束蒸發(fā)法，能夠制備得到致密的銪摻雜富硅氧化硅薄膜。通過控制銪摻雜富硅氧化硅薄膜沉積過程中的襯底溫度，我們發(fā)現(xiàn)隨著薄膜沉積時襯底溫度的升高，原生薄膜的PL逐漸減弱，而熱處理后薄膜的PL強度逐漸增強。
　　 第二

3、，發(fā)現(xiàn)了在薄膜的沉積過程中，Eu的價態(tài)發(fā)生了Eu3+-Eu2+的轉變。Eu在蒸發(fā)源中以Eu3+存在，在沉積的原生薄膜中大部分為Eu2+。這是由于沉積到襯底上的SiO通過奪取Eu2O3中的O原子，轉變成Si02，同時Eu自身被還原為Eu2+。
　　 第三，當熱處理溫度低于800℃時，銪摻雜富硅氧化硅薄膜PL積分強度隨熱處理溫度的升高而逐漸降低，而當熱處理溫度高于800℃時，PL積分強度隨熱處理溫度的升高而逐漸增強。樣品在1100℃

4、的積分強度幾乎為未經熱處理樣品的11倍，為800℃時的72倍。這種熒光增強是由于薄膜在熱處理過程中微結構的變化引起的，并且同時伴隨熒光機制的轉變。將熱處理溫度固定為PL強度最強的1100℃，研究了PL強度隨熱處理時間的變化關系，在時間低于90 min時，PL強度隨熱處理時間的延長而逐漸增強，當時間再延長時，PL積分強度基本不變。而隨后通過熒光壽命測試，我們發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，熒光壽命在800℃處呈現(xiàn)了一個明顯的由ns到us級別的轉

5、變過程。分別對應于氧化硅基體缺陷態(tài)的發(fā)光和Eu2+的4f65d-4f7(8S7/2)能級躍遷，并且進一步設計實驗驗證了高于800℃后的強寬帶發(fā)光來自于Eu2+，隨后我們通過TEM，SAED，XRD對薄膜的微觀結構進行了表征，發(fā)現(xiàn)了隨著薄膜熱處理溫度的升高，EuSiO3多晶的團簇在薄膜中形成，結晶度不斷提高。因此我們認為熱處理過程中熒光機制的轉變是由薄膜的微結構變化引起。
　　 第四，我們還將銪摻雜富硅氧化硅薄膜制作成ITO/Eu

6、SiO/P-Si/Al MOS器件結構，成功實現(xiàn)了薄膜的電致發(fā)光。但是器件注入電流相對較大，我們認為是常規(guī)熱處理形成的較大EuSiO3顆粒，注入的電子通過顆粒間進行傳導，當遇到缺陷復合中心時，電子空穴對發(fā)生輻射復合，而發(fā)射可見光。我們針對此結構進行了改進，采用P/P+襯底取代p型襯底，以使得襯底和電極間形成歐姆接觸；采用RTP取代常規(guī)熱處理，以形成更小更均勻的顆粒團簇；通過在銪硅氧薄膜上添加SiO2層，實現(xiàn)了增大電場，降低注入電流的目的