周期性图形化结构的陷光效应及其对Si量子点多层膜发光增强的模拟与实验研究

【作者】 邵文仪； 陆鹏； 徐骏； 徐岭； 陈坤基；

【机构】 南京大学电子科学与工程学院固体微结构物理国家重点实验室；

【摘要】 图形化衬底表面由于其在发光器件和太阳能电池等光电子器件中具有良好的减少光学损失的作用在近年来成为一个热点研究领域。在实验室之前的工作中,我们使用了一种纳米小球刻蚀技术得到了具有良好减反效应的图形化Si衬底。本文中,我们从实验上和理论模拟两方面对纳米图形化Si衬底的减反效果进行了研究,利用原子力显微镜（AFM）和紫外可见近红外分光光度计UV-3600对图形化Si衬底进行了表征。用软件Finite Difference Time Domain（FDTD）solutions构造了与实验获得的Si图形化衬底表面形貌相同的密堆积的模型,定义了纳米结构的直径（D）与高度（H）。我们通过模拟,研究了图形化衬底的D、H和纵宽比对减反效果的影响,并与实验结果相对照验证了其可靠性。模拟结果表明,当纳米结构直径D=300nm并保持不变,图形化衬底的表面反射率随着纳米结构的高度（H）的增加而逐渐降低,并且当H增加到200nm时,在波长400-1000nm范围内反射率都低于10%。在实验中我们用直径300nm的PS小球对Si衬底进行了不同时间的刻蚀,并在图形化衬底上生长了纳米晶Si（nc-Si）/SiO₂多层膜。通过测试不同衬底上纳米晶Si的光致发光（PL）谱线,如图1所示,实验表明图形化衬底可以增强nc-Si/SiO₂多层膜的发光效率,并且在H=91nm时发光增强效果最好,是平板Si衬底上的6.6倍。我们分析了图形化衬底的减反效果与对纳米Si发光增强效果之间的关系,认为图形化衬底越深陷光增强效果越好;但另一方面随着刻蚀深度的增加,会增加Si/SiO₂界面处的表面积,进而增加表面态数目而降低其发光效率。更多还原