硅基稀土摻雜氧化物半導體薄膜電致發(fā)光器件.pdf

1、眾所周知，硅是間接帶隙半導體，其極低的發(fā)光效率嚴重限制了硅基光電集成的發(fā)展。近二十年來，人們提出了多種途徑實現(xiàn)硅基發(fā)光。其中，硅基稀土摻雜半導體薄膜的電致發(fā)光是一條重要的途徑，這是由于稀土發(fā)光具有發(fā)光譜帶窄、波段分布區(qū)域?qū)?、光色純度高且?guī)缀醪皇芡獠凯h(huán)境影響等優(yōu)點。氧化物半導體中稀土離子的固溶度高，且其富氧環(huán)境有利于稀土離子的光學躍遷。此外，氧化物半導體薄膜的制備工藝可與集成電路工藝相兼容。因此，若能實現(xiàn)硅基稀土摻雜氧化物半導體薄膜的電致

2、發(fā)光，將為硅基發(fā)光器件的發(fā)展提供新的途徑。本文詳細研究了硅基稀土摻雜ZnO和TiO2薄膜器件的電致發(fā)光及其物理機制，取得的主要創(chuàng)新成果如下:
　　(1)利用射頻濺射法在重摻硼硅(p+-Si)上沉積摻Er的ZnO(ZnO∶Er)薄膜，制備出基于ZnO∶Er/p+-Si異質(zhì)結的器件。該器件在不低于6V的直流偏壓驅(qū)動下，產(chǎn)生源于Er3+離子的～1.54μm電致發(fā)光，同時伴有源于ZnO基體的近帶邊復合紫外發(fā)光和缺陷態(tài)可見發(fā)光。研究表明，摻

3、Er量為0.9 at％的器件的～1.54μm電致發(fā)光比摻Er量為1.7 at％的器件更強，表現(xiàn)出Er濃度淬滅效應。分析指出，與Er3+離子相關的～1.54μm電致發(fā)光是由ZnO基體中的缺陷輔助間接復合傳遞給ZnO晶粒中Er3+離子的能量所激發(fā)的。
　　(2)利用射頻濺射法在硅襯底上制備了基于MgxZn1-xO/ZnO∶RE異質(zhì)結的器件。分別采用ZnO∶Eu、ZnO∶Er和ZnO∶Tm薄膜作為發(fā)光層，實現(xiàn)了紅、綠和藍三基色電致發(fā)光，

4、其啟動電壓僅為5V左右。此外，分別利用ZnO∶Nd和ZnO∶Er薄膜作為發(fā)光層還實現(xiàn)了中心波長為～0.91μm、～1.09μm和～1.54μm的近紅外電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，器件發(fā)光是由注入至MgxZn1-xO勢壘層中的空穴被電場加速成為“熱空穴”，隨后進入ZnO∶RE層中直接碰撞激發(fā)RE3+離子而產(chǎn)生的。該器件所采用的將熱載流子產(chǎn)生層與碰撞激發(fā)稀土離子發(fā)光層在空間上加以分離的設計思路可應用于開發(fā)低電壓驅(qū)動稀土摻雜半導體薄膜電致發(fā)光器件。<

5、br>　　(3)利用射頻濺射法在p+-Si上沉積摻Er的TiO2(TiO2∶Er)薄膜，制備出基于TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結的發(fā)光器件。在不低于5.5 V的直流電壓驅(qū)動下，器件產(chǎn)生源于Er3+離子的可見光區(qū)（～522、553、564和663 nm）以及紅外光區(qū)～1.54μm的電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，在TiO2基體中有足夠多的氧空位對激發(fā)Er3+離子相關的電致發(fā)光至關重要。器件的與Er3+離子相關的電致發(fā)光是由TiO2基體中與氧空位相關

6、的束縛激子復合向Er3+離子傳遞的能量所激發(fā)的。
　　(4)利用射頻濺射法在p+-Si上沉積Al和Er共摻的TiO2(TiO2∶Al，Er)薄膜，制備出基于TiO2∶(Al，Er)/p+-Si異質(zhì)結的電致發(fā)光器件。與基于TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結的器件相比，共摻Al的器件在可見光區(qū)的與Er3+離子相關的電致發(fā)光被顯著抑制，而在紅外光區(qū)～1.54μm的電致發(fā)光得到增強。研究表明，摻Al并未明顯改變TiO2基體中的氧空位濃度以及

7、摻入TiO2晶粒中的Er3+離子濃度，即:Al的共摻并未明顯改變與TiO2基體向Er3+離子的能量傳遞相關的供體和受體的數(shù)量。因此，如上所述的對Er3+離子電致發(fā)光的調(diào)控與Al的共摻對TiO2中E，離子周圍晶體場的影響有關。
　　(5)利用射頻濺射法在p+-Si上沉積摻Nd的TiO2(TiO2∶Nd)薄膜，制備出基于TiO2∶Nd/p+-Si異質(zhì)結的發(fā)光器件。在不低于5V的直流電壓驅(qū)動下，器件產(chǎn)生源于Nd3+離子的～0.91、1.

8、09和1.37μm的紅外電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，基于單一銳鈦礦相的TiO2∶Nd(1.1％)薄膜的異質(zhì)結器件產(chǎn)生較強的源于TiO2基體的可見發(fā)光和相當弱的與Nd3+離子相關的紅外發(fā)光;而基于銳鈦礦和金紅石兩相共存的TiO2∶Nd(2.0％)薄膜的異質(zhì)結器件的與Nd3+離子相關的紅外電致發(fā)光得到了顯著增強，源于TiO2基體的可見發(fā)光被淬滅。實驗證實金紅石相TiO2中的Nd3+離子不具有光學活性，與銳鈦礦TiO2中的Nd3+離子截然相反。分析認