单晶硅（c-Si）/二氧化硅（SiO）量子阱的制备和可见光致发光

• 作 者: 刘艳松
• 机 构: 南京大学
• 出 处: 南京大学
• 发表日期: 2006年期
• 关键词: 微电子技术

由于Si是现代微电子技术领域的主导半导体材料，近年来，纳米尺度Si材料的可见光发射有望在光电子领域的应用引起了人们极大的兴趣。量子限制效应导致纳米硅(nc—Si)量子点薄膜带隙增大，在可见光波段光致发光的研究在理论和实验上已有大量研究，但由于量子点微观系统的复杂性和理论认识的缺乏，人们对硅基材料发光起因的认识还没有达成共识。所以，c—Si/SiO2单量子阱的光致发光性质，由于其结构简单，只由c—Si薄层与两个c—Si/SiO2界面组成，有利于光致发光起源的研究而引起了人们的重视。作为未来微电子发展中最有前景的材料之一的SOI结构光发射同样引起了人们浓厚的兴趣。SOI结构已在三维集成电路、抗辐射电路等方面有着广泛应用，若将其中的c—Si层减薄至纳米量级厚度，这便是很好的c—Si/SiO2单量子阱结构。
本文中，我们基于SOI结构材料采用多次热氧化—去氧化层的方法减薄c—Si阱层厚度，制备了不同c—Si阱层厚度的SiO2/c—Si/SiO2量子阱结构系列样品；并探索了SiO2/c—Si/SiO2量子阱系列的光致发光。
本文的主要结果如下：
1．分别采用通入干氧(O2)和混合气体(Ar+O2)热氧化法制备了系列纳米量级厚度的氧化层(SiO2)；椭偏法测量SiO2薄膜的厚度，并研究了温度、氧气分压等对氧化速率常数的影响；得出800℃，900℃和1000℃干O2热氧化条件下的氧化速率常数分别为：0.072，0.34，0.86 nm/min；及900℃，Ar+O2热氧化条件下的氧化速率常数：0.095 nm/min。这些结果为我们随后的热氧化法减薄c—Si阱层厚度提供了依据。
2．结合以上热氧化的结果，我们设定氧化条件和步骤，对SOI中的c—Si层采用多次氧化——去氧化层的方法进行减薄，成功制备了不同c—Si阱层厚度的SiO2/c—Si/SiO2量子阱结构系列样品。剖面透射电子显微镜(x—TEM)的结果确认了SiO2/c—Si/SiO2量子阱的形成，且界面清晰平整。椭偏法测量了c—Si/SiO2单量子阱结构中上SiO2层、c—Si层和SiO2埋层的
厚度，典型工艺条件是：两步高温氧化减薄c—Si层厚度到7nm，再混合气体900℃氧化，通过改变氧化时间，可获得c—Si阱层厚度在3 nm以下的系列样品。热氧化减薄的方法适于制备大面积c—Si阱层厚度均匀的c—Si/SiO2单量子阱结构样品。
3．我们对c—Si/SiO2量子阱的光致发光性质做了较为系统的研究。在室温下，我们对c—Si/SiO2单量子阱系列样品进行了PL测量，结果发现c—Si/SiO2单量子阱的光致发光谱有两个峰，峰位分别在670～690 nm和750 nm左右。前者随c—Si阱层厚度的减小，峰位发生蓝移；后者与c—Si阱层厚度无关。同时，我们对其中一个样品进行定点的PL测量，发现随温度降低，PL峰的强度急剧增大，且峰位发生蓝移。实验结果表明，c—Si/SiO2量子阱中存在两种发光机制，前者来自超薄c—Si阱层的量子限制效应，后者与c—Si/SiO2的界面效应有关。