纳米Si-SiNX复合薄膜发光与非线性光学性质的研究

论文摘要

半导体硅基材料是电子技术、信息技术领域最为重要的基础材料之一。近年来,研究和开发以硅为基质材料的光子器件乃至实现光电集成（OEIC）已成为半导体光电子学领域需攻克的重大课题。在众多的硅基材料中,氮化硅作为一种典型的硅基材料,已作为钝化层和电绝缘层广泛应用在硅器件和集成电路方面。因此,硅基低维材料与氮化硅薄膜组成的复合材料的制备及其光电性能的研究是硅基光电子领域中热门课题的重要组成部分。本文采用射频磁控反应溅射法结合热退火技术制备了纳米硅镶嵌氮化硅薄膜（nc-Si/SiNX）,并对薄膜进行X射线能谱（EDS）、红外吸收光谱（IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及紫外—可见吸收光谱（UV-VIS）的测定,对薄膜进行了组分、键合状态、结构及光学带隙的表征。研究发现制备的相关工艺条件对薄膜的组分结构等特点产生重要影响。本论文研究测定了薄膜的光致发光特性。室温条件下,分别用265nm和510nm波长的光激发,得到在350～900nm范围内众多发光带,分别归结为氮化硅中缺陷和纳米硅颗粒的发光。归纳起来,其发光机制以能隙态模型和量子限制效应为主。采用皮秒激光运用单光束Z扫描技术开展了对该复合薄膜的非线性光学性质的研究。分别在中心波长1064nm和532nm的皮秒脉冲激光投射下,该复合薄膜的非线性光折射和光吸收都表现出较明显的特征,测得薄膜三阶非线性极化率的绝对值都是10-9esu量级,并将薄膜这种三阶光学非线性增强的原因归因于量子限域效应。首次报道了用沉积在硅衬底的纳米硅镶嵌氮化硅（nc-Si/SiNX）薄膜样品作为可饱和吸收体,在凹—平腔中实现了氙灯抽运Nd:YAG激光器的被动调Q运转,在抽运重复频率1Hz情况下获得脉宽最小可达19ns的调Q单脉冲输出。并且研究了该薄膜结构特性、激光器参数,如:抽运电压、腔长对调Q脉冲输出性能产生的影响。在此基础上,对实验现象产生的原因做了分析讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 硅基薄膜材料概述
• 1.1 硅基材料的研究意义
• 1.2 硅基纳米薄膜材料的研究进展
• 1.2.1 硅基发光材料的研究进展
• 1.2.2 硅基纳米材料非线性光学研究进展
• 1.3 本课题研究工作思路
• 1.4 本章小结
• 第二章 硅基薄膜材料的光学理论基础
• 2.1 硅基纳米薄膜材料光致发光机理
• 2.1.1 量子限制发光模型
• 2.1.2 表面态模型
• 2.1.3 缺陷发光模型
• 2.1.4 量子限制效应—发光中心发光模型
• 2.2 半导体材料的光学非线性理论简述
• 2.2.1 非线性光学机制
• 2.2.2 非线性折射率
• 2.2.3 非线性吸收
• 2.2.4 半导体纳米晶的三阶非线性增强机制
• 2.3 本章小结
• 第三章 薄膜的制备工艺及表征
• 3.1 射频磁控反应溅射镀膜的基本原理
• 3.1.1 射频磁控原理与特性
• 3.1.2 反应溅射原理与特性
• 3.2 实验装置
• 3.3 工艺流程
• 3.3.1 基片和靶材的准备及清洗
• x 薄膜的详细操作程序'>3.3.2 溅射镀 SiN_x薄膜的详细操作程序
• 3.3.3 退火处理过程
• 3.4 薄膜制备工艺参数
• 3.5 薄膜制备工艺规律
• 3.5.1 工艺参数对沉积速率的关系
• 3.5.1.1 溅射时间t 与沉积速率的关系
• 3.5.1.2 氩气流量、氮气流量与沉积速率的关系
• 3.5.1.3 溅射功率与沉积速率的关系
• 3.5.2 工艺参数对薄膜组分结构的关系
• 3.5.2.1 工作气体流量及溅射功率对薄膜组分的关系
• 3.5.2.2 红外谱研究薄膜的化学结构
• 3.5.2.3 薄膜中纳米晶硅的形成与相关工艺参量间的关系
• 3.5.2.4 薄膜的表面形貌
• 3.6 本章小结
• 第四章 薄膜的光吸收及光发射特性研究
• 4.1 薄膜的光吸收及带隙
• 4.1.1 薄膜的紫外可见谱测试
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.2.1 流量比R 对薄膜光吸收及带隙的影响
• 4.1.2.2 退火温度对薄膜光吸收及带隙的影响
• 4.1.3 分析讨论
• 4.2 薄膜的光致发光特性
• 4.2.1 实验测试
• 4.2.2 实验结果
• 4.2.2.1 在265nm 光激发下的发光特征
• 4.2.2.2 在510nm 光激发下的发光特征
• 4.2.3 光致发光机制讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 薄膜的三阶光学非线性研究
• 5.1 单光束Z－扫描的基本理论
• 5.1.1 Z－扫描的描述
• 5.1.2 单光束 Z-扫描的测量原理
• 5.1.3 计算方法
• 5.2 薄膜的三阶光学非线性特征
• 5.2.1 样品制备及测试
• 5.2.2 非线性Z 扫描实验研究
• 5.2.2.1 1064nm 激光下的非线性光学特征
• 5.2.2.2 532nm 激光下的非线性光学特征
• 5.2.2.3 分析讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 纳米硅镶嵌氮化硅薄膜被动调Q 特性研究
• X 薄膜的制备及测试'>6.1 nc-Si/SiN_X薄膜的制备及测试
• 6.2 调Q 实验研究
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 结果与分析
• 6.2.2.1 样品结构特性对调Q 激光脉冲的影响
• 6.3.2.2 抽运电压对调Q 激光脉冲的影响
• 6.3.2.3 激光器腔长L 对调Q 激光脉冲的影响
• 6.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢