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简 报 第45 卷 第22 期 2000 年 11 月 a-Si/SiO 超晶格结构的非线性光学性质 2 * 刘宁宁 孙甲明 潘少华 陈正豪 王荣平 师文生 王晓光 陈 凡 ( 中国科学院物理研究所光物理实验室, 北京100080. *联系人. Email: shp@aphy.iphy.ac.cn) 摘要 用磁控溅射方法在玻璃基底上制备了 a-Si/SiO2 超晶格. 利用 TEM 和 X 射线衍射技术对 其结构进行了分析, 并采用多种光谱测量手段, 如 Raman 光谱 吸收光谱和光致发光谱, 对该结 构的光学性质进行了研究. 结果表明, 随纳米 Si 层厚度的减小, Raman 峰发生展宽, 吸收边以及 光荧光峰发生蓝移. 用单光束 Z 扫描技术研究了 a-Si/SiO2 超晶格结构的非线性光学性质. 这一 结果较多孔硅的相应值大两个量级. 还对影响非线性效应增强的因素进行了讨论. 关键词 a-Si/SiO 超晶格 光谱研究 光学非线性 量子限制效应 2 硅作为半导体领域的支柱材料, 其应用在微电子学领域获得了巨大成功. 然而, 由于硅 体材料是间接带隙材料, 固有发光效率极低(10 7) , 这就限制了硅材料在发光器件中的应用. Canham[1]观测到了多孔硅的高效率可见光发射, 随后, Lehmann 和Gosele[2]也作了类似的报道. 尽管对它的确切发光机理尚无统一看法, 但有一点认识是共同的, 即多孔硅的发光峰能量会 从体硅的能隙 1.12 eV (近红外) 蓝移到可见光区域, 这是由于其中纳米结构的量子限制效应 引起的. 这个重要的科学突破, 为硅基材料发光器件的应用开辟了新的前景. 依靠量子限制效 应来实现高效率硅基发光, 由多孔硅的研究所打开的这一新思路, 激发了近年来人们对多种 新的硅纳米材料和结构的兴趣, 如用化学气相淀积(CVD) 离子注入 脉冲激光沉积(PLD)和 分子束外延生长(MBE)等方法在不同的衬底上或基体材料中制备出各种包含纳米量级的Si 颗粒 的薄膜, 并且也都观察到了它们的光致发光. 然而, 无论是多孔硅或是纳米硅, 由于其尺寸分 布的不均匀, 空间分布的无序, 很难期望其有良好重复的电输运与光学特性. 本文介绍了用磁控溅射方法生长的一种新型量子结构 非晶 Si/SiO (a-Si/SiO )超晶格, 2 2 并采用多种光谱技术对其光吸收和光发射特性进行了研究. 利用单光束Z 扫描技术研究了这一新 型超晶格结构的非线性光学性质, 测量了其非线性吸收系数和非线性折射率, 其结果比多孔硅的 相应值大两个数量级. 1 样品制备与表征 采用射频磁控溅射技术在玻璃基 底上生长出实验所用 a-Si/SiO2 超晶格 4 结构. 溅射室背底真空度为2 10 Pa. 伴随衬底在靶前不断往返运动, 通过 控制 O2 气体的开关来交替溅射 Si 和 SiO 层, 即可形成Si/SiO 超晶格结构. 2 2 通过控制溅射功率, 可以随意设计 Si 和SiO 层厚度. 2 Si/SiO2 超晶格结构(样品 B) 的透