PDF《多孔 硅 及硅 基发光材 料》

2 硅基 多孔碳化 硅蓝 光材料 蓝光是 全色 显示和光 电子 集成迫 切需要 的.由于多孔 硅不 能提供稳 定 的蓝光发 射,因而 研究 硅基 蓝光材 料非常 重要 , 但很 困难 . 为获得 稳定 的蓝光 , 我们提 出 了一种新 的硅基 蓝光 材料 ― 硅基多 孔isc蓝光 材料 s [ ] , 并 发展 了一 套材料 与器 件工艺 . i s C 是一种 非常 稳定 的宽 带 隙半 导体材料 , 在 厌刃 . C 以 下不 会氧化.一般来说制备 S I C 要在

2 X ( X ) O C 高 温下进 行,工艺 困难 , 成 本高 . 我们 采用 了离 子注 人技 术,把活跃 的C离子直接 注人到 i s 中,在数 百度 的温度 下 化合 成SIC,再经电化 学腐 蚀形成多 孔SIC,这一 材料可以 发 射较强 的波长 为470 l n n 的蓝 光.多孔 i s C 发光性 质非 常稳定 , 甚至 在85O0C氧气或 空气中加 温半小 时后 , 发光性 质 完全 不变 , 这个 温度 可以 满足 集成 电路 的加工要 求.此外 , 如 果进行 选区离子注 入,可直接制 成发光 器件 图形 . 多孔 i s C 在材 料和 器件 工艺 方面已经基 本 配套 , 而且提 供 的是 难得 的蓝光 器件 , 这也是 硅基 发光材料 的一个 重大 进展 .

3 硅基镶嵌纳 米半导体发光材料 制 备纳 米半导 体发光 材料 的另一 种方法是 : 先 在硅基 上生成 一种 势垒介 质,再把 纳米半

16 4 中国科学基金1卯8年导体 晶粒镶嵌 到势 垒介 质 中去 .

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0 2 致密、稳定 , 带 隙达 g e V , 可提供强 量子 限制 . 完整 的is仇自身基本 不发光 , 在硅 上易 于生长 和加 工,是理 想 的势垒 介质 . 把 纳米半 导体引人 介质中的简便 而 有效 的办法 是离 子注 人 技术 .

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1 离 子注入

5 1 仇 纳米 发光 材料 [,] 用离子 注 人技 术将 i s 注人 iS 仇,注人的iS 离 子在 i S 仇 中形 成一定分 布,同时 也 引入 大 量缺 陷,但经过退火,缺陷消失,注人的iS沉积下来,形成镶嵌在iSq中的 纳米 i s 晶粒 . 纳米iS晶粒的尺寸与 分 布可 由 注人能 量、剂量和退火条件控制 . 这样制备出的 纳米材料 , 用蓝紫光激发,或制成器件在外加电源 的激励下,可以发光,波长在红一黄 光范围.这类发光是由量子 限制 效 应决 定的.注人 时引人的某 些缺陷,也有发光性能 , 例如,由于 iS 注人 i S 仇,使is仇中.的比例相对 减少 , 会 出现 氧空位 , 可发射较 强的波长 为470nnI的蓝 光,而且 在 以刃 . C 下很 稳定.这一类发光是缺陷中心发 光.两类发光的机理不 同,但都有较好的应 用前 景.图1给出的是 注硅iS 伍的发光光谱,两个短波峰是缺 陷 发光 , 一个 长 波峰是 纳米iS发光.霉1

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70 0 波长/n m 图151注人 i S 仇 的缺陷发光 (两个 短波蜂 ) 和 纳米 i s 发光峰 ( 一个长波峰 ) .3

2 e G 离子 注入

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0 2 纳 米发 光材 料将eG离子 注人 i S 仇,经退火 后,eG沉积为纳米晶粒 , 可在 7侧} s e 勺阳 n r n 红外和近红 外 范围观测 到 发光 . 从应 用角 度看 , 对于注eG的iS 场更值得重视的是 缺陷发光 . e G 注人时,将破 坏iS仇网络 , 使S卜0 键断裂,并形成eG一0 键.其中(尧0 是 一种 近紫外发光中心 , 有286lnn和3% n n I 两个 发光 谱峰 , 发 光效 率高,而且 在85o0C高温下稳 定,这是一种 有重要应用 价值 的硅基 紫外 光源.制备 纳 米半 导体镶 嵌材 料,除离 子 注入技 术外 , 射 频溅 射 (包括复 合靶 共溅 射,反应溅 射)、化学气 相沉 积、分子 激光 剥离 沉积 (含反应沉积 ) 等也 是常用的方 法,每种 方法 各具 优势.作为发 光 的主体 , 纳 米材 料除iS和eG外,若能在iS 仇 中形 成纳 米化 合物半 导体 , 将使研究 范围 大为扩 展.近来 , 我 们将 纳米 i s C 包封 在iS 仇 中获得 了蓝光 发射.但是如 何使化 合物 半导 体保 持严格 的化学 计量 , 还 是一个较 复杂 的 问题 . 如果沉 积过 程直 接包 含有 形成 化合物半 导体 的化学 反应 过程 , 一 般化 学计 量是 较容 易保 持的 . 显然,在这一 方面,化学气 相 沉积 和反 应溅 射等 方法 有一 定 优势 . 此外 , 作为势垒介 质,除isq外还可选 择其他一些材料,这些 材料 要能 提供 需要 的势 垒,在工 艺和 结构 上与 衬底 i S 和镶嵌 的半 导体 相互 匹配.纳米 半导 体镶嵌 iS q 发光薄膜 是值得重视的一 类硅基镶嵌纳米 发光材料,它性能非 常 稳定 , 而 且在 结构 和工 艺上 完全 和硅 平面技 术相 容.其发光 波 长覆 盖 了近红 外一可 见一近紫 外很 宽的 范围 , 可以直接 用 于全 色显示 和硅 基光 电子集成 . 缺 点是 发光 效率较 低,一般低 于 多孔 硅.为了提 高发 光效 率,需要提高 发光 晶粒 的有 效密 度.总之,对于 制备 硅基 镶嵌 纳米 半导 体发 光材 料,只要 从半 导体 材料 、 介质 材料 和制备 技术等方 面合 理地选择 、 组合,就可以设计 出多种 多样 的材 料结构 , 制备出各种 性质 的发光 材第3期 鲍希茂 : 多 孔硅及硅基发光材料