基于带隙可调的碳化硅多量子阱LED研制及其发光性能的提高

碳化硅作为一种理想的第三代宽禁带半导体材料，其量子点的禁带宽度可以在可见光范围内调节，因此，在硅基光电集成方面有着非常广阔的应用前景。但是，由于碳化硅量子点在可控性制备方面始终未能获得突破，极大的制约了其在发光方面的研究，特别是在场致发光方面进展尤为缓慢。.利用磁控溅射技术和限制性生长方法，优化制备条件，生长出SiCxO4-x/SiO2超晶格，然后结合高温相分离原理，获得纳米SiC/SiO2多量子阱结构发光层，从而实现SiC量子点的晶粒尺寸、密度以及空间分布等的独立控制。研究SiCxO4-x薄膜的化学计量比、退火温度等因素对SiC量子点的晶粒尺寸、密度、空间分布以及发光性能的影响。探索氧的参与在SiC量子点结晶过程中的作用。优化纳米SiC/SiO2多量子阱LED的结构设计，实现电子和空穴的高效注入与复合，提高其发光效率，获得波长可调的量子阱LED发光器件。

本项目首先利用反应磁控溅射技术，通过改变Ar:O2:CH4流速比，制备了化学计量比可调的SiCxO4-x(0<x<4)薄膜，并利用高温相分离技术获得了nc-SiC/SiO2多量子阱器件，分别通过改变O2、CH4的流速，实现了对nc-SiC尺寸大小的控制，亦即光致发光波长的调节。在此基础之上对SiCxO4-x薄膜的制备方法进行改进，实现了对nc-SiC近红外以及可见光波段的发光波长的调节。为改善器件的蓝光特性，我们对nc-SiC/SiO2器件进行了适量的Ce3+掺杂，不但得到了蓝紫外波段的发光，且器件的发光强度有了很大的改善。对nc-SiC/SiO2多量子阱器件电致发光研究发现，对于未掺杂Ce3+离子的nc-SiC/SiO2多量子阱器件，无论采用改进前还是改进后的方法制备，器件电致发光波长均集中在红色波段，未观察到蓝色、绿色波段发光。但Ce3+离子掺杂的nc-SiC/SiO2多量子阱器件却表现出非常良好的蓝色电致发光特性。进一步将Tb3+与Ce3+离子共掺杂到nc-SiC/SiO2器件中，获得了非常强的绿色光致发光与电致发光。为改善器件电致发光的稳定性，我们将Cu+离子掺杂到上述电致发光器件中，极大的改善了器件的稳定性，并且使器件具备了非常好的整流特性。对于离子掺杂的nc-SiC/SiO2多量子阱器件的电致发光机理进行研究发现，稀土离子掺杂器件的发光主要来自于FN遂穿，加入Cu+离子后则倾向于注入式发光。