本征和摻硼硅納米晶的制備、性能及其在硅光子學領域的應用.pdf

1、硅光子學是在硅上實現(xiàn)各種光學功能的技術，在生命科學、醫(yī)學、信息、計算、傳感、能源等領域有廣泛的應用前景。其中最具吸引力的是:硅光子學可以最大程度地沿用現(xiàn)有的成熟的CMOS技術，在同一硅芯片上融合電子學和光子學，同時具有電子學的高計算容量和光子學的高通信帶寬的優(yōu)點，實現(xiàn)硅基單片集成。但是，其主要的限制因素是缺少硅基光源，即高效的發(fā)光二極管或硅激光器?？紤]到體硅是間接禁帶半導體的局限，研究者提出了很多策略來改善和實現(xiàn)硅基發(fā)光。在眾多研究方案

2、中，低維硅（納米硅）由于量子限域效應和界面效應，成為非常有希望實現(xiàn)硅基發(fā)光的材料之一。
　　本論文系統(tǒng)研究了全硅基富硅氧化硅薄膜、摻硼富硅氧化硅薄膜的光電性能、物理機制和應用，致力于通過不同的方式得到高效的基于納米硅的發(fā)光。取得主要創(chuàng)新結果如下:
　　(1)利用等離子體增強化學氣相沉積和后續(xù)高溫熱處理的方法，成功制備了高分布密度的硅(Si)納米晶鑲嵌于二氧化硅(SiO2)基體的薄膜（富硅氧化硅薄膜）。通過氫鈍化工藝，鈍化了S

3、i納米晶/SiO2界面非輻射態(tài)，提高了輻射效率。以優(yōu)化的富硅氧化硅薄膜為有源層材料，結合微電子光刻工藝，成功制備了直徑5-10μm的含Si納米晶微盤諧振腔。當外在激光源的光注入使Si納米晶自發(fā)輻射時，角對稱微腔結構的全內(nèi)反射效應使得寬的光滑的Si納米晶發(fā)光帶轉化成在寬帶上有一系列分立的尖銳的諧振峰的回音壁模式光譜。通過微區(qū)光致發(fā)光測試平臺，獲得了亞納米線寬的回音壁模式諧振峰，在800 nm處的品質因子高達3000，這在目前報導的Si納米

4、晶基微盤體系是最高值。我們指出，富硅氧化硅薄膜材料性能的優(yōu)化（低損失，凈材料增益），對品質因子的提高起關鍵作用。在Si納米晶非均勻的寬增益譜范圍，微盤諧振腔可能實現(xiàn)低閾值的激光行為。
　　(2)首次通過連續(xù)波光譜，系統(tǒng)地研究了鑲嵌在平面回音壁模式微諧振腔中的Si納米晶的非線性動力學。觀測到了特征線寬隨激發(fā)功率增大而寬化的現(xiàn)象，指出這是由于激發(fā)載流子吸收損失引起的衰減。通過分析品質因子隨激發(fā)功率的變化，得到了Si納米晶的吸收橫截面和

5、激發(fā)載流子吸收相關損耗。觀測到了模式峰位的非線性漂移，并對此建模得到了納米晶材料的非線性折射率。理論結果還證實，觀測到的諧振峰位的次線性藍移和線性紅移分別是由低泵浦功率下的激發(fā)載流子效應和高泵浦功率下的熱光效應引起的。提取的Si納米晶激發(fā)載流子折射率kEC=-1.07×10-23 cm3和熱光系數(shù)kT=1.46×10-4 K-1，可以對光學有源微腔中的精細模式結構引入重要調制。
　　(3)利用反應濺射結合共濺射和后續(xù)高溫熱處理的方

6、法，制備了不同富硅量、不同摻硼量的摻硼富硅氧化硅薄膜。通過對化學成分、微結構的表征系統(tǒng)地研究了硼的摻雜對薄膜中鑲嵌的Si納米晶的影響。低富硅量（Si/O原子比～0.52）時，摻硼后的薄膜是亞納米甚至原子尺度的Si聚集體;中等富硅量（Si/O原子比～0.67）時，摻硼后的薄膜是直徑2-5 nm的Si納米晶鑲嵌于SiO2基體中;高富硅量(Si/O原子比～1.1)時，摻硼后的薄膜是尺寸更大的Si納米晶鑲嵌于SiO2基體中，Si納米晶的形狀趨于

7、橢圓，有重疊現(xiàn)象。通過X射線光電子譜Si2p和B1s核心能級譜的研究，表明硼除了位于原子尺度/亞納米尺度/納米尺度Si中Si的替代位外，還存在于SiO2基體中或者Si聚集體與SiO2基體的界面處。
　　(4)通過四探針電阻測試研究薄膜電學傳導性能，觀測到高富硅量薄膜摻硼后方塊電阻率有4-5個數(shù)量級的下降。證實了硼原子對Si納米晶實現(xiàn)了電學活性摻雜，從而顯著提高了載流子濃度。中/低富硅量的摻硼富硅氧化硅薄膜經(jīng)過高溫熱處理后，在室溫下

8、有強的白光光致發(fā)光，測得量子效率為幾個百分點，這是Si基固態(tài)白光光源的一個重要探索成果。通過研究PL譜隨富硅量、摻硼量、熱處理溫度的變化，揭示了發(fā)光中心位于納米Si/亞納米Si與基體的界面或基體中的原子尺度Si聚集體中，且發(fā)光中心是由硼促進形成的。硼含量相近時，中等富硅量的薄膜的發(fā)光強度高于低富硅量的薄膜，表明有進一步空間同時優(yōu)化薄膜的電學和光學性能。綜上，該體系有以下優(yōu)點:由于制備的薄膜中所有元素都是“CMOS元素周期表”中的元素，與