[发明专利]一种提高纳米晶体硅薄膜中载流子注入效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于硅材料发光技术领域，具体涉及一种增强纳米晶体硅电致发光的方法。

背景技术

镶嵌在SiO₂中的纳米晶体硅被认为是一种有希望的硅光源材料。目前普遍的方法是将纳米晶体硅夹在两层SiO₂中，形成量子约束。对于其电致发光来说，SiO₂的宽带隙却不利于电子-空穴的注入复合。基于上述考虑，若将宽带隙的限制层换成窄带隙的限制层，同时在限制层内引入附加的纳米晶体硅，虽然牺牲部分的限制效应，但是能获得更高的载流子注入效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种增加纳米晶体硅电致发光中载流子注入效率的方法，以增加纳米晶体硅的电致发光强度。

本发明提出的增加纳米晶体硅电致发光中载流子注入效率的方法，是构建SiO/Si多层发光膜，具体步骤如下：

（1）在P-Si衬底上应用电阻加热和电子束加热的方法交替蒸镀SiO、Si，构成SiO/Si复合薄膜，每个复合层中，SiO和Si的厚度比例为3.75：1--4：1，周期数位30-40周期（交替蒸镀SiO、Si一次为一个周期，形成一个复合层）； 

（2）将制备好的复合薄膜放入石英管中，在氮气保护下进行高温退火，温度为1100-1200℃，其中氮气流量为100-180L/h；

（3）在复合薄膜背面（即没有镀膜的那面）蒸镀Al电极，镀好电极后，样品在480-500℃下加热8-10分钟，形成欧姆接触；

（4）在复合薄膜正面蒸镀环形Al电极，中间留出一个小口出光。

对本发明所制备的样品测量电致发光光谱。结果表明本发明可以增加纳米晶体硅薄膜电致发光中载流子的注入效率，从而提高其发光强度，在硅基光电集成领域-硅光源的研究中有重要的应用价值。

附图说明

图1 单层与多层膜样品的透射电子显微镜图（TEM图）。图a，单层样品透射电子显微镜谱；图b，多层样品透射电子显微镜谱；图c，多层样品的低分辨率透射电子显微镜谱；图d，单个纳米晶体硅谱。其中，单层与多层含有相同的Si/O比例与含量。

图2为单层与多层样品的光致发光谱（PL）与最大输出电致发光谱（EL）。插图为单层与多层样品电致发光强度与所加偏压的关系曲线。其中，单层与多层含有相同的Si/O比例与含量。

图3 单层与多层样品的载流子传输模型图。其中a表示单层，b表示多层。图3说明电子在电场作用下，在两种样品内部的传输过程。电子从左端注入，穿过SiO₂，驻留在纳米晶体硅中，与此同时空穴从P型硅衬底注入进来。在单层样品中，高势垒的SiO₂会阻挡电子的进一步运动，使得电子很难到达下一个纳米晶体硅。而在多层样品中，当一个纳米晶体硅中的电子遇到硅层时，电子将比较容易的进入到硅层中，然后它将沿着硅层向下或者向上运动。当它遇到SiO₂中的另外一个纳米晶体硅时，它将直接穿透注入到它里面。这个过程将一直进行下去，直到它与从另一端注入进来的空穴相遇复合，然后发光。因此，硅层作为一个载流子通道，可以大大的提高载流子在样品中的传输效率，从而获得更强的EL。

具体实施方式

下面结合附图和实例具体描述本发明。

一、薄膜制备：

P-Si衬底（电阻率0.5-1?.cm，厚度为0.4-0.5mm，单面抛光）在浓硫酸+双氧水的混合液中（溶液浓度为：98%浓硫酸、30%双氧水，体积比1:1）用电阻炉沸煮25-30分钟；丙酮超声15-20分钟；酒精超声15-20分钟；10%的HF中浸泡2-3分钟去除表面SiO₂，完毕放入真空腔。在腔内气压达到（5-7）*10^-5帕时，分别使用电阻加热和电子束加热的方式蒸镀SiO、Si，SiO的速率为0.7-1 ?/S, Si的速率为0.2-0.3 ?/S 。 单层样品：将SiO和Si按3.75:1 — 4:1的比例同时蒸镀到硅衬底上；多层样品：SiO/Si分层结构，SiO层和Si层依次交替蒸镀，每层厚度分别为3.75-4nm和1-1.2nm，30-40周期，两种样品SiO与Si的含量和百分比都相同。

二、退火过程：

膜镀好后单层与多层样品都在石英管炉内氮气环境下高温退火，温度为1100-1200℃，氮气流量为100-180L/h。

在1100-1200℃条件下发生如下两个反应