場效應(yīng)增強(qiáng)硅納米晶電致發(fā)光強(qiáng)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(dǎo)體材料，基本上無發(fā)光，當(dāng)Si的尺寸減小到納米量級時，存在著發(fā)光，Si-nc的光致發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)，但其電致發(fā)光強(qiáng)度較弱，該研究采用在器件中加入場效應(yīng)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(fā)光強(qiáng)度。本研究在p型硅襯底上制備三種不同結(jié)構(gòu)的樣品，從而引入場效應(yīng)，比較不同樣品之間的EL強(qiáng)度，得出場效應(yīng)方法增強(qiáng)硅納米晶電致發(fā)光的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：硅納米晶 場效應(yīng) 電致發(fā)光 I-V曲線

中圖分類號：O43 文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)體材料，塊狀晶體Si本身發(fā)光很弱，但包裹在SiO2，Si3N4或SiC介電質(zhì)中的硅納米晶（Si-nc）具有其發(fā)光的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(yōu)選材料[1-2]。但是，要實現(xiàn)可使用的硅光源，得到較高的電致發(fā)光強(qiáng)度（electroluminescence，EL）存在一定挑戰(zhàn)，主要的瓶頸問題在于LED器件中電荷的傳輸過程難以實現(xiàn)[3，5-10]。到目前為止，人們已提出了Si-nc密度的調(diào)制、設(shè)計新的器件結(jié)構(gòu)、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(fā)光強(qiáng)度，但上面介紹的方法對強(qiáng)度的提高不明顯[7，10]。該研究在EL中利用場效應(yīng)來提高Si-nc的電致發(fā)光強(qiáng)度是一種較新穎的方法，并對其強(qiáng)度有較大的提高，通過改變材料的種類和厚度，其電致發(fā)光強(qiáng)度可提高近一個數(shù)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(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。當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)中的壓強(qiáng)達(dá)到4×10-5Pa時即可進(jìn)行實驗，但在實驗過程中，反應(yīng)室壓強(qiáng)達(dá)到4×10-4Pa，實驗樣品主要是由SiO、Si的多層結(jié)構(gòu)及n型硅和本征硅組成，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(fā)過程中SiO的蒸發(fā)速率為Rate=0.8 nm/s，而Si的蒸發(fā)速率為Rate=0.2 nm/s。蒸發(fā)結(jié)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(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(huán)形的鋁電極，同樣在溫度為200 ℃的氮氣氛圍中退火5 min。

2 結(jié)果與討論

按照上面介紹的實驗方法，制備了三個樣品進(jìn)行比較分析，其結(jié)構(gòu)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(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(fā)光強(qiáng)度，得到如圖2（a）、（b）、（c）所示結(jié)果。

從圖2中可以得出：三個樣品的EL發(fā)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(qiáng)度增大。圖2（d）所示為三個樣品的最大EL強(qiáng)度的關(guān)系，從圖2中可以看出：三個樣品中（a）樣品的EL強(qiáng)度最低，（b）樣品的次之，而（c）樣品的EL強(qiáng)度最高。（b）樣品的EL強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，（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(qiáng)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(jìn)一步驗證F1的存在，實驗中測量了（c）樣品的整流特性，其結(jié)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(qiáng)度的增強(qiáng)，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(jié)，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(qiáng)度相對于（c）樣品較小，所以（b）、（c）樣品的EL強(qiáng)度比（a）樣品中的高，但（b）樣品中的EL強(qiáng)度低于（c）樣品中的EL強(qiáng)度。

3 結(jié)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(yīng)方法應(yīng)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(yīng)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(fā)光強(qiáng)度。而加入n-Si層后，在引入界面電場的同時也引入了內(nèi)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(fā)光強(qiáng)度相對增加不明顯。最后通過優(yōu)化得出i-Si層的厚度為10 nm時，硅納米晶的電致發(fā)光強(qiáng)度基本可以提高一個數(shù)量級。

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