陈家荣 张羽

摘 要：实用的硅光源器件在硅光电子器件中起着非常重要的作用。但由于Si是间接带隙半导体材料，基本上无发光，当Si的尺寸减小到纳米量级时，存在着发光，Si-nc的光致发光强度较强，但其电致发光强度较弱，该研究采用在器件中加入场效应层的方法来提高硅纳米晶中的电子传输效率，从而提高了硅纳米晶的电致发光强度。本研究在p型硅衬底上制备三种不同结构的样品，从而引入场效应，比较不同样品之间的EL强度，得出场效应方法增强硅纳米晶电致发光的强度。

关键词：硅纳米晶 场效应 电致发光 I-V曲线

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0021-02

晶体Si是一种禁带宽度为1.12eV的间接带隙半导体材料，块状晶体Si本身发光很弱，但包裹在SiO2，Si3N4或SiC介电质中的硅纳米晶（Si-nc）具有其发光的稳定性、结构的稳固性以及具有的受激辐射特性，所以在过去十几年里已成为制造硅光源（硅激光器、LED）的优选材料[1-2]。但是，要实现可使用的硅光源，得到较高的电致发光强度（electroluminescence，EL）存在一定挑战，主要的瓶颈问题在于LED器件中电荷的传输过程难以实现[3，5-10]。到目前为止，人们已提出了Si-nc密度的调制、设计新的器件结构、降低Si-nc与不同基体（SiO2、Si3N4）之间的界面势垒等方法来提高硅纳米晶的电致发光强度，但上面介绍的方法对强度的提高不明显[7，10]。该研究在EL中利用场效应来提高Si-nc的电致发光强度是一种较新颖的方法，并对其强度有较大的提高，通过改变材料的种类和厚度，其电致发光强度可提高近一个数量级。

1 实验

在该实验中，所有的样品都在纯度为99.99%的p型Si（Si<100>（0.5～ 1.0?cm））衬底上制备，将该衬底在H2SO4∶H2O2=1∶1的溶液中进行清洗，然后将其放入DMDE-450光学多层镀膜机中制备硅纳米晶薄膜。当蒸发系统中的压强达到4×10-5Pa时即可进行实验，但在实验过程中，反应室压强达到4×10-4Pa，实验样品主要是由SiO、Si的多层结构及n型硅和本征硅组成，多层结构的层数为20层，每层的厚度分别为：SiO为2 nm，Si为1 nm，在薄膜的制备过程中，SiO采用电阻加热的方法制备，而Si采用电子束的方法制备，为了获得均匀和致密的材料，在蒸发过程中SiO的蒸发速率为Rate=0.8 nm/s，而Si的蒸发速率为Rate=0.2 nm/s。蒸发结束后，将其在温度为1100 ℃，氮气（纯度为99.99%）流量为200Sccm的条件下退火1h，即可形成硅纳米晶。同时，为了测量其电致发光（EL）强度，首先将厚度为10um的Al（纯度为99.999%）电极制备在衬底材料的背面，然后在温度为480 ℃的氮气氛围中退火10 min，以形成良好的欧姆接触。然后在样品正面蒸镀一个环形的铝电极，同样在温度为200 ℃的氮气氛围中退火5 min。

2 结果与讨论

按照上面介绍的实验方法，制备了三个样品进行比较分析，其结构示意图如图1所示。图1中active layer表示的是由厚度分别为2 nm的SiO和1 nm的Si构成的多层结构通过在氮气中，温度为1100°C退火1h所形成的包裹在二氧化硅中的硅纳米晶（Si-nc：SiO2），p-Si代表的是p型硅衬底，同样n-Si、i-Si分别代表的是n型硅和本征硅。为了比较三种样品的EL强度，在（b）、（c）两个样品的顶部比（a）样品多制备了n-Si、i-Si，其厚度都为10nm。随后在三种样品的背面和正面蒸镀Al电极，其厚度为10 um，最后在HitachiF-4500中测量三个样品的电致发光强度，得到如图2（a）、（b）、（c）所示结果。

从图2中可以得出：三个样品的EL发光峰位在580 nm左右，并随着外加电压的增加，三个样品的EL强度增大。图2（d）所示为三个样品的最大EL强度的关系，从图2中可以看出：三个样品中（a）样品的EL强度最低，（b）样品的次之，而（c）样品的EL强度最高。（b）样品的EL强度为（a）样品的1.7倍，而（c）样品是（a）样品的8.5倍。比较这三个样品发现，（b）、（c）样品比（a）样品分别增加了10nm的n-Si和i-Si，（b）样品的EL强度仅为（a）样品的1.7倍，而（c）样品却是（a）样品的8.5倍。在（c）样品中，i-Si制备在active layer和Al电极之间，active layer主要是由SiO2组成，其带正电，而i-Si不带电，所以在active layer与i-Si层之间形成界面电场，如图1中F1所示。为了进一步验证F1的存在，实验中测量了（c）样品的整流特性，其结果如图（3）所示，从图3中可以看出：在active layer和i-Si之间形成一个电场，其方向与外加电场方向一致，该电场有利于电荷的传输，从而有利于EL强度的增强，而在（b）样品中，n-Si制备在active layer和Al电极之间，从而形成一个典型的p-n结，其方向刚好与F1的方向相反，从而降低了电荷的传输，其EL强度相对于（c）样品较小，所以（b）、（c）样品的EL强度比（a）样品中的高，但（b）样品中的EL强度低于（c）样品中的EL强度。

3 结论

该研究提出了一种可以提高载流子传输效率的方法，即将场效应方法应用于含Si-nc的LED中。通过对比分析的方法得出，加入i-Si后，在激活层和场效应层之间形成了界面电场，该电场方向与外加电场的方向相同，有利于载流子的传输，所以有利于提高硅纳米晶电致发光强度。而加入n-Si层后，在引入界面电场的同时也引入了内建电场，该电场的方向与外加电场的方向相反，不利于载流子的传输，所以电致发光强度相对增加不明显。最后通过优化得出i-Si层的厚度为10 nm时，硅纳米晶的电致发光强度基本可以提高一个数量级。

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