局域表面等離子體增強(qiáng)的氮化硅器件電致發(fā)光性能研究.pdf

1、硅基光互連技術(shù)是指利用現(xiàn)行成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝研制硅基光子器件，代替電子器件實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸。而高效硅基光源的制備是硅基光互連應(yīng)用中的難點(diǎn)之一，其中，氮化硅薄膜由于其優(yōu)異的發(fā)光性能，成為了制備硅基光源的備選材料之一。然而，氮化硅薄膜基器件的電致發(fā)光效率依然較低，為此，人們?cè)诟纳频璞∧せ娭掳l(fā)光器件效率上做了大量的努力。
　　本文通過(guò)在氮化硅薄膜基器件中引入銀納米顆粒實(shí)現(xiàn)了器件電致發(fā)光效率的提升，同時(shí)對(duì)器

2、件電致發(fā)光的來(lái)源問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研討，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了器件電致發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)制。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果如下:
　　(1)解決了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光的來(lái)源問(wèn)題。通過(guò)對(duì)氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光峰位以及不同注入電流/電壓下器件的載流子輸運(yùn)機(jī)制的變化的詳細(xì)研究，解決了氮化硅薄膜基器件兩個(gè)電致發(fā)光峰的來(lái)源問(wèn)題。其中，短波長(zhǎng)的峰（P1峰）來(lái)源于陷阱在K中心的電子和位于=N-帶尾態(tài)上的空穴之間的復(fù)合，而長(zhǎng)波長(zhǎng)的峰（P2峰）則來(lái)源于位于導(dǎo)帶帶尾態(tài)

3、的電子和局域在≡Si0中心的空穴之間的復(fù)合。
　　(2)提出了氮化硅薄膜基質(zhì)中激子與局域表面等離子體(LSPs)之間的耦合模型，并詳細(xì)研究了Purcell因子與銀納米顆粒尺寸、氮化硅薄膜基質(zhì)中激子的能量以及激子與LSPs之間的距離等參數(shù)之間的關(guān)系。并且在確定這些參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)下，進(jìn)一步通過(guò)上述耦合模型計(jì)算獲得了氮化硅薄膜中激子的平均位置。
　　(3)通過(guò)銀納米顆粒尺寸的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光效率近一個(gè)數(shù)量級(jí)

4、的提升。通過(guò)對(duì)影響器件外量子效率的因素的分析，確定其電致發(fā)光效率的提升主要源自器件光抽取效率的提升。對(duì)于銀納米顆粒置于氮化硅薄膜上面的結(jié)構(gòu)器件，光抽取效率的提升主要源自器件ITO電極的表面粗糙化。而對(duì)于銀納米顆粒置于氮化硅薄膜下面的結(jié)構(gòu)器件，由局域表面等離子體共振引起的背散射的增強(qiáng)對(duì)光抽取效率的提升也有一定貢獻(xiàn)。同時(shí)，內(nèi)量子效率的提高和載流子注入效率的改善也對(duì)器件電致發(fā)光效率的提升有一定的貢獻(xiàn)。
　　(4)提出了一種研究引起器件效

5、率衰減現(xiàn)象主要原因的方法。在參比樣器件中我們觀察到了電致發(fā)光效率衰減的現(xiàn)象，而對(duì)氮化硅薄膜進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理或加入銀納米顆粒的器件中，這一效率衰減現(xiàn)象得到了有效較小。我們通過(guò)對(duì)產(chǎn)生光功率主導(dǎo)過(guò)程的分析（Z因子的確定），確定了引起這一效率衰減現(xiàn)象的主要原因是Auger非輻射復(fù)合過(guò)程，而載流子過(guò)注入對(duì)這一效率衰減作用甚微。
　　(5)通過(guò)銀納米顆粒尺寸以及注入電流/電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了氮化硅薄膜基器件電致發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)制，并確定了引起器件