提高含硅納米晶LED亮度的方法研究
阻礙硅納米晶LED 器件在光電集成電路中的廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題在于硅納米晶電致發(fā)光強(qiáng)度較低。本文主要采用真空反應(yīng)蒸發(fā)法和高溫相分離方法來制備硅納米晶樣品，然后研究改變Si-nc 濃度、改變襯底材料的電阻率、降低Si-nc 與不同基體(SiO2、Si3N4)之間的界面勢壘、場效應(yīng)、電致表面等離子體等方法對硅納米晶電致發(fā)光強(qiáng)度的影響。
鑲嵌在SiO2、Si3N4 介電質(zhì)中的硅納米晶(silicon nanocrystal, Si-nc) 材料由于尺寸發(fā)生了改變，滿足量子限制效應(yīng)，因此其具有一定的光致發(fā)光(photoluminescence, PL) 和電致發(fā)光(electroluminescence, EL)特性。對于硅納米晶的光致發(fā)光，其發(fā)光機(jī)理相對簡單且已相對清楚: Si-nc 中的激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶，隨即弛豫到能量處于導(dǎo)帶底附近的界面態(tài)，然后與價(jià)帶頂空穴復(fù)合，發(fā)出光輻射。因此Si-nc 發(fā)光強(qiáng)度相對較強(qiáng)，并且可通過H 鈍化、Ce 摻雜、基體效應(yīng)等方法來提高其光致發(fā)光強(qiáng)度，而對于硅納米晶的電致發(fā)光，相對于光致發(fā)光而言，其發(fā)光機(jī)理相對比較復(fù)雜，包括電子的遂川及電子與空穴的復(fù)合過程，所以其發(fā)光強(qiáng)度相對較低。
本文研究的通過加入Si 的含量，從而提高形成的Si-nc 的濃度來提高硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度，改變襯底材料的電阻率對Si-nc EL 強(qiáng)度的影響，將Si-nc 鑲嵌在不同的介電質(zhì)材料中來提高硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度，在含硅納米晶的器件中加入場效應(yīng)層從而在界面上形成電場，在電場的方向與外加電場的方向相同時(shí)，可提高電子的隧穿幾率，從而提高其EL 強(qiáng)度，在器件表面構(gòu)成表面等離子體來提高硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度，為研究硅納米晶LED 的亮度提供一定的依據(jù)。
1、實(shí)驗(yàn)
在本實(shí)驗(yàn)中，所有的硅納米晶薄膜都被制備在純度為99.99%的p 型Si(Si <100> (0.5-1.0 Ωcm))襯底上，將該襯底在H2SO4:H2O2=1:1 的溶液中進(jìn)行清洗，然后將其放入DMDE-450 光學(xué)多層鍍膜機(jī)中制備硅納米晶薄膜。在制備過程中，反應(yīng)室壓強(qiáng)為4×10-4 Pa，實(shí)驗(yàn)樣品主要是由SiO、Si的多層結(jié)構(gòu)組成，多層結(jié)構(gòu)的層數(shù)為20 層，每層的厚度分別為：SiO 為2nm，Si 為1nm，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(fā)過程中SiO 的蒸發(fā)速率為Rate=0.8nm/s，而Si 的蒸發(fā)速率為Rate=0.2nm/s，蒸發(fā)速率通過晶振系統(tǒng)監(jiān)測， 晶振系統(tǒng)采用SigmaSQM-160 型晶振儀和Maxtek 金鍍膜的6MHz 晶振片。蒸發(fā)結(jié)束后，將其在溫度為1100℃，氮?dú)?純度為99.99%) 流量為200Sccm 的條件下退火一小時(shí)，即可形成硅納米晶。同時(shí)，為了測量其電致發(fā)光(EL)強(qiáng)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?dú)夥諊型嘶?0min，以形成良好的歐姆接觸。然后在樣品正面蒸鍍一個(gè)環(huán)形的鋁電極，同樣在溫度為200℃的氮?dú)夥諊型嘶?min。
采用真空熱蒸發(fā)的方法首先在p-Si上蒸鍍厚度為7nm 的Al2O3，然后在Al2O3上蒸鍍硅納米晶，7nm 的Al2O3作為場效應(yīng)層，或者首先在p-Si上蒸鍍硅納米晶，然后在硅納米晶上熱蒸鍍厚度為10nm 的i-Si，該i-Si作為場效應(yīng)層。
利用表面等離子體的方法可提高硅納米晶的發(fā)光，本文中利用超聲、熱退火的方法在硅納米晶的表面形成Ag 納米顆粒，該納米顆粒形成局域的表面等離子體，該局域表面等離子體有利于提高硅納米晶的自發(fā)輻射，所以其發(fā)光增強(qiáng)。
2、結(jié)論
本文研究了Si-nc濃度、襯底材料的電阻率、Si-nc與不同基體之間的界面勢壘、場效應(yīng)、電致表面等離子體等方法對硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度的影響。通過提高Si-nc的濃度，降低Si-nc與基體之間的界面勢壘可提高硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度，通過加入場效應(yīng)層和電致表面等離子體等方法也可大大的提高其EL強(qiáng)度，而對于降低襯底材料的電阻率，其EL 強(qiáng)度卻不一定增加。
