場效應增強硅納米晶電致發光強度的研究

陳家榮 張羽

摘 要：實用的硅光源器件在硅光電子器件中起著非常重要的作用。但由于Si是間接帶隙半導體材料，基本上無發光，當Si的尺寸減小到納米量級時，存在著發光，Si-nc的光致發光強度較強，但其電致發光強度較弱，該研究采用在器件中加入場效應層的方法來提高硅納米晶中的電子傳輸效率，從而提高了硅納米晶的電致發光強度。本研究在p型硅襯底上制備三種不同結構的樣品，從而引入場效應，比較不同樣品之間的EL強度，得出場效應方法增強硅納米晶電致發光的強度。

關鍵詞：硅納米晶 場效應 電致發光 I-V曲線

中圖分類號：O43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0021-02

晶體Si是一種禁帶寬度為1.12eV的間接帶隙半導體材料，塊狀晶體Si本身發光很弱，但包裹在SiO2，Si3N4或SiC介電質中的硅納米晶（Si-nc）具有其發光的穩定性、結構的穩固性以及具有的受激輻射特性，所以在過去十幾年里已成為制造硅光源（硅激光器、LED）的優選材料[1-2]。但是，要實現可使用的硅光源，得到較高的電致發光強度（electroluminescence，EL）存在一定挑戰，主要的瓶頸問題在于LED器件中電荷的傳輸過程難以實現[3，5-10]。到目前為止，人們已提出了Si-nc密度的調制、設計新的器件結構、降低Si-nc與不同基體（SiO2、Si3N4）之間的界面勢壘等方法來提高硅納米晶的電致發光強度，但上面介紹的方法對強度的提高不明顯[7，10]。該研究在EL中利用場效應來提高Si-nc的電致發光強度是一種較新穎的方法，并對其強度有較大的提高，通過改變材料的種類和厚度，其電致發光強度可提高近一個數量級。

1 實驗

在該實驗中，所有的樣品都在純度為99.99%的p型Si（Si<100>（0.5～ 1.0?cm））襯底上制備，將該襯底在H2SO4∶H2O2=1∶1的溶液中進行清洗，然后將其放入DMDE-450光學多層鍍膜機中制備硅納米晶薄膜。當蒸發系統中的壓強達到4×10-5Pa時即可進行實驗，但在實驗過程中，反應室壓強達到4×10-4Pa，實驗樣品主要是由SiO、Si的多層結構及n型硅和本征硅組成，多層結構的層數為20層，每層的厚度分別為：SiO為2 nm，Si為1 nm，在薄膜的制備過程中，SiO采用電阻加熱的方法制備，而Si采用電子束的方法制備，為了獲得均勻和致密的材料，在蒸發過程中SiO的蒸發速率為Rate=0.8 nm/s，而Si的蒸發速率為Rate=0.2 nm/s。蒸發結束后，將其在溫度為1100 ℃，氮氣（純度為99.99%）流量為200Sccm的條件下退火1h，即可形成硅納米晶。同時，為了測量其電致發光（EL）強度，首先將厚度為10um的Al（純度為99.999%）電極制備在襯底材料的背面，然后在溫度為480 ℃的氮氣氛圍中退火10 min，以形成良好的歐姆接觸。然后在樣品正面蒸鍍一個環形的鋁電極，同樣在溫度為200 ℃的氮氣氛圍中退火5 min。

2 結果與討論

按照上面介紹的實驗方法，制備了三個樣品進行比較分析，其結構示意圖如圖1所示。圖1中active layer表示的是由厚度分別為2 nm的SiO和1 nm的Si構成的多層結構通過在氮氣中，溫度為1100°C退火1h所形成的包裹在二氧化硅中的硅納米晶（Si-nc：SiO2），p-Si代表的是p型硅襯底，同樣n-Si、i-Si分別代表的是n型硅和本征硅。為了比較三種樣品的EL強度，在（b）、（c）兩個樣品的頂部比（a）樣品多制備了n-Si、i-Si，其厚度都為10nm。隨后在三種樣品的背面和正面蒸鍍Al電極，其厚度為10 um，最后在HitachiF-4500中測量三個樣品的電致發光強度，得到如圖2（a）、（b）、（c）所示結果。

從圖2中可以得出：三個樣品的EL發光峰位在580 nm左右，并隨著外加電壓的增加，三個樣品的EL強度增大。圖2（d）所示為三個樣品的最大EL強度的關系，從圖2中可以看出：三個樣品中（a）樣品的EL強度最低，（b）樣品的次之，而（c）樣品的EL強度最高。（b）樣品的EL強度為（a）樣品的1.7倍，而（c）樣品是（a）樣品的8.5倍。比較這三個樣品發現，（b）、（c）樣品比（a）樣品分別增加了10nm的n-Si和i-Si，（b）樣品的EL強度僅為（a）樣品的1.7倍，而（c）樣品卻是（a）樣品的8.5倍。在（c）樣品中，i-Si制備在active layer和Al電極之間，active layer主要是由SiO2組成，其帶正電，而i-Si不帶電，所以在active layer與i-Si層之間形成界面電場，如圖1中F1所示。為了進一步驗證F1的存在，實驗中測量了（c）樣品的整流特性，其結果如圖（3）所示，從圖3中可以看出：在active layer和i-Si之間形成一個電場，其方向與外加電場方向一致，該電場有利于電荷的傳輸，從而有利于EL強度的增強，而在（b）樣品中，n-Si制備在active layer和Al電極之間，從而形成一個典型的p-n結，其方向剛好與F1的方向相反，從而降低了電荷的傳輸，其EL強度相對于（c）樣品較小，所以（b）、（c）樣品的EL強度比（a）樣品中的高，但（b）樣品中的EL強度低于（c）樣品中的EL強度。

3 結論

該研究提出了一種可以提高載流子傳輸效率的方法，即將場效應方法應用于含Si-nc的LED中。通過對比分析的方法得出，加入i-Si后，在激活層和場效應層之間形成了界面電場，該電場方向與外加電場的方向相同，有利于載流子的傳輸，所以有利于提高硅納米晶電致發光強度。而加入n-Si層后，在引入界面電場的同時也引入了內建電場，該電場的方向與外加電場的方向相反，不利于載流子的傳輸，所以電致發光強度相對增加不明顯。最后通過優化得出i-Si層的厚度為10 nm時，硅納米晶的電致發光強度基本可以提高一個數量級。

參考文獻

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