提高含硅纳米晶LED亮度的方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)贵州民族大学信息工程学院 作者:陈家荣

  阻碍硅纳米晶LED 器件在光电集成电路中的广泛应用的关键问题在于硅纳米晶电致发光强度较低。本文主要采用真空反应蒸发法和高温相分离方法来制备硅纳米晶样品,然后研究改变Si-nc 浓度、改变衬底材料的电阻率、降低Si-nc 与不同基体(SiO2、Si3N4)之间的界面势垒、场效应、电致表面等离子体等方法对硅纳米晶电致发光强度的影响。

  镶嵌在SiO2、Si3N4 介电质中的硅纳米晶(silicon nanocrystal, Si-nc) 材料由于尺寸发生了改变,满足量子限制效应,因此其具有一定的光致发光(photoluminescence, PL) 和电致发光(electroluminescence, EL)特性。对于硅纳米晶的光致发光,其发光机理相对简单且已相对清楚: Si-nc 中的激发电子进入导带,随即弛豫到能量处于导带底附近的界面态,然后与价带顶空穴复合,发出光辐射。因此Si-nc 发光强度相对较强,并且可通过H 钝化、Ce 掺杂、基体效应等方法来提高其光致发光强度,而对于硅纳米晶的电致发光,相对于光致发光而言,其发光机理相对比较复杂,包括电子的遂川及电子与空穴的复合过程,所以其发光强度相对较低。

  本文研究的通过加入Si 的含量,从而提高形成的Si-nc 的浓度来提高硅纳米晶的电致发光强度,改变衬底材料的电阻率对Si-nc EL 强度的影响,将Si-nc 镶嵌在不同的介电质材料中来提高硅纳米晶的电致发光强度,在含硅纳米晶的器件中加入场效应层从而在界面上形成电场,在电场的方向与外加电场的方向相同时,可提高电子的隧穿几率,从而提高其EL 强度,在器件表面构成表面等离子体来提高硅纳米晶的电致发光强度,为研究硅纳米晶LED 的亮度提供一定的依据。

  1、实验

  在本实验中,所有的硅纳米晶薄膜都被制备在纯度为99.99%的p 型Si(Si <100> (0.5-1.0 Ωcm))衬底上,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。在制备过程中,反应室压强为4×10-4 Pa,实验样品主要是由SiO、Si的多层结构组成,多层结构的层数为20 层,每层的厚度分别为:SiO 为2nm,Si 为1nm,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=0.8nm/s,而Si 的蒸发速率为Rate=0.2nm/s,蒸发速率通过晶振系统监测, 晶振系统采用SigmaSQM-160 型晶振仪和Maxtek 金镀膜的6MHz 晶振片。蒸发结束后,将其在温度为1100℃,氮气(纯度为99.99%) 流量为200Sccm 的条件下退火一小时,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10min,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5min。

  采用真空热蒸发的方法首先在p-Si上蒸镀厚度为7nm 的Al2O3,然后在Al2O3上蒸镀硅纳米晶,7nm 的Al2O3作为场效应层,或者首先在p-Si上蒸镀硅纳米晶,然后在硅纳米晶上热蒸镀厚度为10nm 的i-Si,该i-Si作为场效应层。

  利用表面等离子体的方法可提高硅纳米晶的发光,本文中利用超声、热退火的方法在硅纳米晶的表面形成Ag 纳米颗粒,该纳米颗粒形成局域的表面等离子体,该局域表面等离子体有利于提高硅纳米晶的自发辐射,所以其发光增强。

  2、结论

  本文研究了Si-nc浓度、衬底材料的电阻率、Si-nc与不同基体之间的界面势垒、场效应、电致表面等离子体等方法对硅纳米晶的电致发光强度的影响。通过提高Si-nc的浓度,降低Si-nc与基体之间的界面势垒可提高硅纳米晶的电致发光强度,通过加入场效应层和电致表面等离子体等方法也可大大的提高其EL强度,而对于降低衬底材料的电阻率,其EL 强度却不一定增加。

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