硅基TiO2薄膜及發(fā)光器件.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種新型半導體材料,在光催化、太陽能電池和電學器件等領(lǐng)域有重要的應用前景,成為目前國際學術(shù)界關(guān)注的一個重點。TiO2是間接禁帶半導體,因此其室溫帶邊發(fā)光的效率非常低。盡管如此,由于TiO2具有與缺陷態(tài)相關(guān)的發(fā)光中心,它在可見光區(qū)域顯示了良好的發(fā)光性能,近年來其研究得到了關(guān)注。雖然已經(jīng)有TiO2電致發(fā)光的報道,但是硅基TiO2電致發(fā)光尚未實現(xiàn)。眾所周知,硅也是間接禁帶半導體,其室溫下極低的發(fā)光效率嚴重阻礙了硅基光電集

2、成。在這種情況下,硅基電致發(fā)光器件是一個活躍的研究領(lǐng)域。顯然,實現(xiàn)硅基TiO2電致發(fā)光器件對TiO2應用領(lǐng)域的拓寬和硅基光電子來說都是很有意義的。
　　 本論文利用直流磁控反應濺射、電子束蒸發(fā)和熱氧化法在硅襯底上制備TiO2薄膜,研究了TiO2薄膜在不同條件下的晶化行為。在此基礎(chǔ)上,制備了基于TiO2/Si異質(zhì)結(jié)的器件,研究了器件的電致發(fā)光及其發(fā)光機制。本文取得了以下主要創(chuàng)新結(jié)果:
　　 (1)研究了襯底溫度(50-60

3、0℃)對直流磁控反應濺射制備的TiO2薄膜晶相的影響。實驗結(jié)果表明:在襯底溫度為450-500℃時反應濺射沉積的TiO2薄膜的晶相為銳鈦礦和金紅石相兩相共存,而在其它溫度下反應濺射沉積的TiO2薄膜的晶相則為單一的銳鈦礦相。上述現(xiàn)象與襯底溫度影響反應濺射的動力學過程相關(guān)。
　　 (2)研究了電子束蒸發(fā)和直流磁控濺射制備的Ti薄膜經(jīng)熱氧化形成的TiO2薄膜的晶化行為。實驗結(jié)果表明:蒸發(fā)的Ti薄膜經(jīng)450℃熱氧化后即轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相T

4、iO2薄膜,而濺射的Ti薄膜即使經(jīng)600℃熱氧化后形成的TiO2薄膜的晶相仍為銳鈦礦相。上述兩種情況下TiO2薄膜晶化行為的差異與兩種方法獲得的Ti薄膜的致密度和晶粒大小的差異相關(guān)。
　　 (3)將直流磁控濺射法沉積在重摻硼(p+)、輕摻硼(p-)和重摻砷(n+)Si襯底上的Ti薄膜在不同溫度下進行熱氧化,從而形成多種TiO2/Si異質(zhì)結(jié)。在電流-電壓特性方面,TiO2/p--Si異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)整流特性,而TiO2/p+-Si和Ti

5、O2/n+-Si異質(zhì)結(jié)不具整流特性。在電致發(fā)光方面,TiO2/p+-Si和TiO2/p--Si異質(zhì)結(jié)在足夠大的正向偏壓(Si襯底接正壓)下產(chǎn)生電致發(fā)光,而TiO2/n+-Si異質(zhì)結(jié)在足夠大的反向偏壓(Si襯底接正壓)下產(chǎn)生電致發(fā)光。當TiO2薄膜為銳鈦礦相時,發(fā)光波長覆蓋整個可見光區(qū);當TiO2薄膜為銳鈦礦和金紅石相兩相共存或者單一金紅石相時,發(fā)光波長進一步紅移至近紅外光區(qū)。上述電致發(fā)光均隨電壓/電流的增大而顯著增強。分析表明:三種異質(zhì)

6、結(jié)的電致發(fā)光均與TiO2薄膜中的氧空位相關(guān)。此外,在這些異質(zhì)結(jié)中必然存在于TiO2薄膜與Si襯底間的數(shù)納米厚的氧化硅薄膜對電致發(fā)光起了關(guān)鍵作用。從TiO2/Si異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)出發(fā),闡明了它們的電輸運和電致發(fā)光機制。
　　 (4)對TiO2/p+-Si異質(zhì)結(jié)中的TiO2薄膜進行Ar等離子體處理,研究了Ar等離子體處理對TiO2/p+-Si異質(zhì)結(jié)電致發(fā)光的影響。結(jié)果表明:在一定的注入電流范圍內(nèi),Ar等離子體處理可使TiO2/p+-

7、Si異質(zhì)結(jié)的電致發(fā)光的積分強度增強80-420％。利用正電子湮沒譜證實Ar等離子體處理可使TiO2薄膜中氧空位的濃度增加約4倍,從而導致TiO2/p+-Si異質(zhì)結(jié)的電致發(fā)光得到顯著增強。
　　 (5)采用基于TiO2/SiOx/p+-Si結(jié)構(gòu)的器件實現(xiàn)了TiO2薄膜的電致紫外發(fā)光。當SiOx薄膜的厚度足夠大時,器件在一定的正向偏壓(p+-Si接正壓)下不僅在可見光區(qū)而且在紫外光區(qū)產(chǎn)生電致發(fā)光,其中紫外發(fā)光峰的峰位為～375 nm

8、,其對應的能量比TiO2的禁帶寬度大～0.2eV。分析表明:正向偏壓下,在TiO2薄膜與SiOx薄膜界面處附近形成了電子的準二維勢阱。當SiOx薄膜足夠厚時,相當數(shù)量的電子被局域在上述勢阱中,由于量子限域效應,導致了這部分的TiO2薄膜產(chǎn)生超帶邊紫外發(fā)光。進一步地,利用三角勢阱模型對上述超帶邊紫外發(fā)光做出了定量的解釋。
　　 (6)利用直流磁控反應濺射法在p+-Si和n+-Si襯底上制備了金紅石相TiO2薄膜,從而形成TiO2/