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文檔簡介
1、摻Er富硅SiO2發(fā)光材料是硅基發(fā)光材料和器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中硅納米晶體對Er3+離子1.54μm光致發(fā)光的增強(qiáng)作用可以在集成光放大器和發(fā)光器件的制備中得到應(yīng)用。而1.54μm波長恰好位于光纖的最小損耗波段,使其更便于和光纖通訊技術(shù)相結(jié)合。為了拓展其應(yīng)用范圍并實(shí)現(xiàn)光電集成,人們迫切需要實(shí)現(xiàn)此類材料的電泵浦發(fā)光。然而目前關(guān)于摻Er富硅SiO2電致發(fā)光(EL)器件的報(bào)道較少,對其發(fā)光機(jī)制的研究也尚未完善。這主要是因?yàn)榇祟愲娭掳l(fā)光器件的制
2、備存在困難,不易獲得發(fā)光穩(wěn)定、耐擊穿性能較好的器件。
在本論文中,我們利用Er+離子和Si+離子注入并結(jié)合高溫退火制備了摻Er富硅SiO2薄膜以及ITO/SiON/Si-rich SiO2:Er/Si MOS結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件。通過對器件的光、電特性的測試和分析,我們對器件的EL性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。
在論文的緒論部分,我們首先解釋了硅基光電子和光互連的概念,并對制各硅基發(fā)光材料和器件的主要方法及國內(nèi)外研
3、究現(xiàn)狀作了簡要介紹。隨后我們闡述了硅納米晶體發(fā)光的機(jī)理,并對Er3+離子和硅納米晶體間能量傳遞的機(jī)制進(jìn)行了討論。
在第二章主要介紹了摻Er富硅SiO2 MOS結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件的制備方法。其中器件制備的主要步驟包括離子注入,后期高溫退火及光刻的工藝。樣品的實(shí)驗(yàn)測量由光電聯(lián)合測試平臺完成,通過該系統(tǒng)可以方便快捷地完成EL,PL,PLE,I-V,C-V和恒流條件下EL老化等一系列測試。另外我們還通過橢圓偏振光測量儀對樣品的折射率
4、和厚度進(jìn)行了測試。
第三章中我們對摻Er富硅SiO2 MOS發(fā)光器件的可見和紅外EL及I-V特性進(jìn)行了測量。通過分析研究了Si摻雜濃度對器件的載流子輸運(yùn)機(jī)制和EL性能的影響。我們發(fā)現(xiàn),隨著器件中Si含量增加使得載流子輸運(yùn)機(jī)制由Fowler-Nordheim隧穿轉(zhuǎn)變?yōu)楣杓{米晶體間的電子隧穿傳導(dǎo)。而Er3+離子的EL隨著Si注入量的增加發(fā)生明顯的猝滅現(xiàn)象。另外我們還觀察到器件中Si含量較低時(shí)Er3+離子522nm的發(fā)光增強(qiáng),并
5、用氧空位缺陷(Si-ODC)和Er3+離子高能級之間的共振能量傳遞加以解釋。
在第四章中我們測量了B、Er共摻富硅SiO2 MOS器件的發(fā)光性能和I-V特性。我們分析了不同B摻雜量對器件中SiO2薄膜結(jié)構(gòu)的影響,以及由此引起的Er3+離子發(fā)光性能的變化。結(jié)果表明:適量B摻雜在SiO2薄膜中引入了Si-ODC缺陷,并且抑制硅納米晶體的形成和晶化。重?fù)紹會(huì)使得SiO2薄膜發(fā)生“軟化”現(xiàn)象,并消除Si-ODC缺陷和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。
6、
在第五章中我們研究了摻Er富硅SiO2 MOS發(fā)光器件中硅納米晶體和Er3+離子PL的場致猝滅現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明:量子限制Stark效應(yīng)和場致激子離化造成了納秒時(shí)間量級的PL猝滅,而與電荷俘獲有關(guān)的俄歇效應(yīng)引起另一種較慢的PL猝滅。兩種機(jī)制在不同的外加場強(qiáng)下分別對PL猝滅起著主導(dǎo)作用。我們進(jìn)一步測量了B、Er共摻富硅SiO2 MOS發(fā)光器件的PL場致猝滅,發(fā)現(xiàn)其猝滅速度減慢。我們認(rèn)為這是因?yàn)锽摻雜在SiO2層中引入了空穴
7、,影響了內(nèi)部電場的建立過程,使得PL猝滅得到一定程度抑制。
第六章中我們研究了摻Er富硅SiO2 MOS發(fā)光器件的EL老化和器件中電荷俘獲的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中測量了器件的恒流電壓變化△Vcc和EL隨著注入電荷量Qinj的變化。我們發(fā)現(xiàn),硅納米晶體的EL猝滅和器件中電荷俘獲量Qt的增加密切相關(guān);而Er3+離子的EL隨著Qinj的增加出現(xiàn)先增強(qiáng)后猝滅的現(xiàn)象。其中硅納米晶體的EL猝滅可以解釋為俄歇效應(yīng)、帶電陷阱的庫侖散射的綜合作用。E
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