Zn-,2-SiO-,4--Si發(fā)光薄膜與器件研究.pdf

1、信息技術(shù)的發(fā)展要求實(shí)現(xiàn)從微電子集成到光電集成乃至光子集成的飛躍。由于硅集成電路工藝非常完善，因此硅基光電集成成為重點(diǎn)研究對(duì)象。要實(shí)現(xiàn)硅基光電集成，關(guān)鍵是尋找性能優(yōu)良且能與硅集成電路工藝相兼容的硅基發(fā)光材料。摻雜硅酸鋅(Zn2SiO4：M，M為稀土金屬或過渡金屬元素)發(fā)光材料由于發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、可通過改變摻雜元素獲得多種發(fā)光波長以及具有制備工藝可與硅集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，近年來在硅基發(fā)光材料與器件的研究中開始得到研究人員的重視。不

2、過，有關(guān)硅基硅酸鋅發(fā)光膜的系統(tǒng)性的研究工作不多，因此有必要系統(tǒng)地研究硅襯底上生長摻雜硅酸鋅發(fā)光薄膜的制備技術(shù)、發(fā)光特性以及電致發(fā)光特性。 本論文的工作中，在生長有SiO2的Si襯底上利用旋涂含鋅的溶膠后高溫?zé)崽幚淼姆椒ㄖ苽淞斯杷徜\以及摻雜硅酸鋅薄膜，系統(tǒng)地研究了發(fā)綠光的Zn2SiO4：Mn薄膜的各種性質(zhì)以及影響薄膜發(fā)光強(qiáng)度的各種因素。另外還通過摻雜其他稀土元素獲得了其他波長的發(fā)光薄膜，最后以硅集成電路平面設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，制備了一

3、個(gè)以Zn2SiO4：Mn為發(fā)光層的硅基電致發(fā)光原型器件。 本論文的結(jié)果表明摻雜硅酸鋅發(fā)光薄膜可以用來制作硅基電致發(fā)光器件。這種薄膜具有性能穩(wěn)定、發(fā)光波長可選、制備工藝與硅集成電路工藝兼容等特點(diǎn)，可以預(yù)計(jì)它在某些硅基光電集成器件中具有一定的應(yīng)用前景。 本論文的主要結(jié)果包括：1.研究了在硅片上生長Zn2SiO4以及Zn2SiO4：Mn發(fā)光薄膜的工藝參數(shù)以及工藝參數(shù)對(duì)其性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)通過簡單的高溫反應(yīng)可以使硅片表面的ZnO轉(zhuǎn)

4、變?yōu)閆n2SiO4。薄膜小于800℃的高溫處理后仍為ZnO，在900～1000℃下處理后為ZnO和Zn2SiO4兩相共存，1050℃以上高溫處理后則全為Zn2SiO4。影響薄膜發(fā)光性能的因素主要有物相成分和Mn的摻雜濃度。 2.雖然硅酸鋅薄膜中Mn2+摻雜濃度在小于10mol％時(shí)，Mn2+均可替代硅酸鋅中的Zn2+處于晶格位置，成為發(fā)光中心，但當(dāng)Mn2+濃度超過2mol％時(shí)，出現(xiàn)了濃度猝滅效應(yīng)，使得發(fā)光膜的發(fā)光強(qiáng)度下降，因此最佳

5、Mn2+的濃度為2mol％。Zn2SiO4：Mn(2mol％)薄膜的光致發(fā)光波長為525nm，余輝時(shí)間約為21ms。 3.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在通過高溫反應(yīng)使ZnO轉(zhuǎn)變到Zn2SiO4的過程中，如果在摻Mn硅酸鋅薄膜中保留適量的ZnO相，反而有利于薄膜發(fā)光強(qiáng)度的提高。因此可以有意識(shí)地控制ZnO相的相對(duì)含量提高薄膜的發(fā)光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1000℃-2小時(shí)條件下生長的Zn2SiO4：Mn薄膜的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度最大。 4.參照多孔硅發(fā)光的

6、“量子約束－發(fā)光中心”(QuantumConfinement-LuminescenceCenter，QCLC)模型，定性解釋了結(jié)果3中適量ZnO相的存在有利于發(fā)光強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。即在光激發(fā)下，ZnO導(dǎo)帶上的電子或價(jià)帶上的空穴通過隧穿效應(yīng)越過ZnO-Zn2SiO4界面進(jìn)入硅酸鋅相中的Mn離子能級(jí)上，并通過Mn離子能級(jí)復(fù)合發(fā)光。 5.通過摻雜Eu、Ce和Tb在硅酸鋅薄膜基體中成功獲得了不同波長的發(fā)光。Zn2SiO4：Eu薄膜的發(fā)光波

7、長在618nm，發(fā)生猝滅的濃度值為2mol％。Zn2SiO4：Ce薄膜的發(fā)光波長在370-430nm之間，發(fā)生猝滅的濃度值為1.25mol％。Zn2SiO4：Tb薄膜的發(fā)光波長位于490nm和545nm，發(fā)生猝滅的濃度值為3.5mol％。 6.從平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路出發(fā)，利用硅片上生長的摻Mn硅酸鋅薄膜作為發(fā)光層設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)平面結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光原型器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率200～1000Hz、電壓40～80V的交流電場的激發(fā)下獲