半导体/SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜结构与光学性能

论文摘要

利用射频磁控溅射与后续热处理技术,通过优化工艺参数,在Si晶片上制备出了镶嵌在介质SiO2中的GaP纳米颗粒。通过XRD、SEM、EDS等测试手段分析了GaP/SiO2薄膜的表面形貌以及晶体结构。结果表明,薄膜中形成了GaP纳米颗粒。Raman光谱分析表明,GaP的横光学声子模（TO）与纵光学声子模（LO）均发生了红移和宽化,峰形变得不对称,其中TO模的红移量约为8.8 cm-1。认为这是小尺寸效应和应力的综合结果。并运用残余应力、声子限域效应和表面界面效应对Raman峰的红移和宽化现象进行解释。用量子限制―发光中心（QC-LCs）模型解释了光致发光光谱（PL）中的2.84 eV 2.54 eV的蓝光波段发射。3.1 eV紫光应该由SiO2基质中与镓离子相关缺陷发光中心发光或镓氧化物缺陷中心发光。综合Ge/SiO2、InP/SiO2、GaP/SiO2镶嵌薄膜的结构及Raman散射信息,从宏观上描述了Si衬底上的半导体/SiO2薄膜结构,并对薄膜中镶嵌式半导体纳米颗粒的生长机制进行了探讨,提出了生长抑制机制,认为量子点的生长受应力场与介质势垒的约束。从晶体结构出发讨论了薄膜的界面结构,认为界面能级存在于禁带中。讨论了磷、氧对薄膜结构及能级的可能作用。三种半导体/SiO2薄膜均观察到较强光致发光,分析了这种结构可能的复合发光能带模型。其中Ge/SiO2薄膜、GaP/SiO2薄膜主发光峰在391394 nm（3.153.17eV）处紫光区,用量子限域-发光中心模型（QC-LCs）解释。InP/SiO2薄膜581 nm（2.13 eV）处、Ge/SiO2薄膜中432 nm （2.87 eV）处光发射认为是量子限域效应引起的带间复合。GaP/SiO2薄膜中436 nm 487 nm（2.84 eV2.54 eV）蓝光区一系列分裂的发光峰认为是限域激子的光发射。表明在半导体/SiO2薄膜结构中,镶嵌在介质中的半导体量子点的量子限域效应及界面能级对薄膜的发光性能起了重要的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料及其特性
• 1.1.1 纳米尺度特性
• 1.1.2 半导体纳米复合材料特性
• 1.1.3 半导体纳米颗粒镶嵌复合薄膜特性
• 1.1.4 纳米颗粒镶嵌薄膜的制备方法
• 2纳米颗粒镶嵌薄膜的研究现状'>1.2 半导体/SiO₂纳米颗粒镶嵌薄膜的研究现状
• 2半导体材料的研究现状'>1.2.1 Ge/SiO₂半导体材料的研究现状
• 2半导体材料的研究现状'>1.2.2 InP/SiO₂半导体材料的研究现状
• 2半导体材料的研究现状'>1.2.3 GaP/SiO₂半导体材料的研究现状
• 1.2.4 常见的光致发光理论模型
• 1.3 本论文研究意义及主要内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 2薄膜制备'>第二章 半导体/SiO₂薄膜制备
• 2镶嵌颗粒膜的制备'>2.1 纳米GaP/SiO₂镶嵌颗粒膜的制备
• 2.1.1 薄膜溅射
• 2.1.2 薄膜热处理
• 2、InP/SiO₂镶嵌颗粒膜的制备'>2.2 纳米Ge/SiO₂、InP/SiO₂镶嵌颗粒膜的制备
• 2薄膜结构表征及性能'>第三章 GaP/SiO₂薄膜结构表征及性能
• 2纳米薄膜的成分分析'>3.1 GaP/SiO₂纳米薄膜的成分分析
• 3.1.1 能谱分析的理论方法
• 3.1.2 实验结果及分析
• 2纳米薄膜的表面形貌观察及结构表征'>3.2 GaP/SiO₂纳米薄膜的表面形貌观察及结构表征
• 3.2.1 表面形貌分析
• 3.2.2 X 射线衍射分析
• 2纳米复合薄膜拉曼光谱分析'>3.3 GaP/SiO₂纳米复合薄膜拉曼光谱分析
• 3.3.1 拉曼光谱实验结果
• 3.3.2 拉曼散射结果分析讨论
• 3.4 光致发光谱分析
• 3.4.1 光致发光实验结果及分析
• 3.4.2 PL 谱分析
• 3.5 本章小结
• 2薄膜结构'>第四章 Si 衬底上的半导体/SiO₂薄膜结构
• 2薄膜结构'>4.1 Si 衬底上的半导体/SiO₂薄膜结构
• 4.1.1 薄膜的结构与生长
• 4.1.2 镶嵌薄膜中纳米颗粒生长抑制机制的探讨
• 4.2 薄膜内的缺陷能级
• 4.2.1 薄膜内的界面
• 4.2.2 薄膜内的杂质
• 4.3 本章小结
• 第五章 半导体颗粒镶嵌薄膜光学性能对比分析
• 2薄膜的光致发光光谱实验结果'>5.1 半导体/SiO₂薄膜的光致发光光谱实验结果
• 2薄膜的光致发光性能对比分析'>5.2 半导体/SiO₂薄膜的光致发光性能对比分析
• 2薄膜中可能的发光模型'>5.2.1 半导体/SiO₂薄膜中可能的发光模型
• 5.2.2 带间复合
• 5.2.3 通过杂质中心的复合
• 5.2.4 激子复合
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 个人简况及联系方式