基于稀土摻雜的高k氧化物薄膜的硅基電致發(fā)光器件.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、硅是間接禁帶半導體,室溫下發(fā)光效率很低,這嚴重限制了硅基光電集成技術的發(fā)展。因此,需要利用其它發(fā)光材料制備用于硅基光電集成的光源。稀土離子具有特殊的電子層結構,其發(fā)光具有譜帶窄、色純度高、受外界環(huán)境影響極小等優(yōu)點,因而實現(xiàn)硅基稀土發(fā)光是探索硅基光電集成所需光源的途徑之一。高效的稀土發(fā)光需要合適的基體材料,而近年來高介電常數(shù)(k)氧化物已被證明是較為理想的稀土發(fā)光基質材料。因此,若采用與集成電路制造兼容的工藝在硅基上實現(xiàn)稀土摻雜的高k氧化

2、物薄膜的電致發(fā)光,將為硅基發(fā)光器件的研究開辟新的領域。本文詳細研究了以未摻雜的、以及不同稀土離子摻雜的CeO2、ZrO2薄膜為發(fā)光層的硅基金屬-氧化物-半導體(MOS)器件的電致發(fā)光及其物理機制,取得如下主要創(chuàng)新成果:
 ?。?)采用射頻磁控濺射法,在重摻p型硅(p+-Si)襯底上沉積CeO2薄膜,并在不同溫度下進行熱處理。在此基礎上,制備了結構為ITO/CeO2/p+-Si的MOS器件。在較低(<10 V)的正向偏壓下,實現(xiàn)了該

3、器件在紫外及可見光區(qū)的電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)基于550°C熱處理的薄膜的器件在發(fā)光強度上優(yōu)于基于450°C熱處理的薄膜的器件,這是由于550°C熱處理的CeO2薄膜含有更多的氧空位及Ce3+離子。結合器件的載流子輸運特性和器件的能帶結構圖,闡明了器件的電致發(fā)光機理,即:在足夠高的正向偏壓下,電子和空穴注入到CeO2中,并分別被俘獲在氧空位相關的缺陷能級及與Ce3+離子相關的Ce4f1能帶。氧空位相關的不同能級上的電子與Ce4f1能帶中的空穴

4、發(fā)生輻射復合,導致了不同波長的發(fā)光。
 ?。?)利用射頻磁控濺射法,在重摻n型硅(n+-Si)襯底上沉積摻Er的CeO2(CeO2:Er)薄膜,并在不同溫度下進行熱處理。在此基礎上,制備了結構為ITO/CeO2:Er/n+-Si的MOS器件,實現(xiàn)了該器件在較低的正向或反向偏壓(~7 V)下源自Er3+離子的可見區(qū)及紅外區(qū)(~1530 nm)的電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn):與基于700°C熱處理的CeO2:Er薄膜的器件相比,基于900°C熱

5、處理的CeO2:Er薄膜的器件的電致發(fā)光更強,這是由于更高溫度的熱處理能夠激活更多的 Er3+離子,且能減少CeO2:Er薄膜中非輻射復合中心。分析指出:在一定的正向或反向偏壓下,電子分別從n+-Si或ITO通過缺陷輔助隧穿進入CeO2導帶,并在電場的加速下成為“熱電子”,進而碰撞激發(fā)CeO2基質中的Er3+離子,隨后的退激發(fā)產生特征的可見及近紅外發(fā)光。
 ?。?)利用射頻磁控濺射法,在 p+-Si襯底上沉積摻 Eu的 CeO2(

6、CeO2:Eu)薄膜,并在不同溫度下進行熱處理。在此基礎上,制備了結構為ITO/CeO2:Eu/p+-Si的MOS器件。研究發(fā)現(xiàn):該MOS器件的電致發(fā)光性能與CeO2:Eu薄膜的熱處理溫度密切相關,這在本質上是由器件的載流子輸運機制所決定的?;?00°C熱處理的CeO2:Eu薄膜的MOS器件的載流子輸運遵循Poole–Frenkel(P-F)發(fā)射機制,從ITO電極注入到CeO2基體中的電子(占據(jù)氧空位相關能級)與從p+-Si注入到Ce

7、O2基體中的空穴(處在Ce4f1能帶中)發(fā)生輻射復合,產生寬帶的可見發(fā)光?;?00°C熱處理的CeO2:Eu薄膜的MOS器件的載流子輸運遵循缺陷輔助隧穿(TAT)機制,電子從ITO電極依靠TAT機制注入到CeO2導帶中,在電場加速下成為熱電子,進而碰撞激發(fā)Eu3+離子,隨后的退激發(fā)產生單色性相當好的590 nm發(fā)光?;?00°C熱處理的CeO2:Eu薄膜的MOS器件的載流子輸運受 P-F和 TAT混合的機制支配,因此在電致發(fā)光性能上

8、表現(xiàn)為寬帶的可見發(fā)光與尖銳的590 nm發(fā)光共存。
  (4)采用射頻磁控濺射法,在p+-Si襯底上分別沉積未摻雜和稀土摻雜的ZrO2(ZrO2:RE,RE=Er、Eu)薄膜,并在不同條件下進行熱處理。在此基礎上,制備了結構為ITO/ZrO2/p+-Si和ITO/ZrO2:RE/p+-Si的MOS器件。研究表明:基于真空熱處理的ZrO2薄膜的MOS器件比基于氧氣氛下熱處理的ZrO2薄膜的MOS器件具有更強的電致發(fā)光,這是由于真空熱

9、處理的 ZrO2薄膜中含有更多氧空位和Zr3+離子。分析認為,在一定的正向偏壓下,電子和空穴分別從ITO和p+-Si注入到ZrO2中,并分別被氧空位相關的缺陷(F+、AOD+中心)及與Zr3+離子相關的缺陷捕獲,當這些電子和空穴發(fā)生輻射復合時,產生中心峰位位于~445和545 nm的寬帶發(fā)光。遺憾的是,基于ZrO2:RE薄膜的MOS器件的電致發(fā)光只表現(xiàn)出源于 ZrO2基體中缺陷的寬帶發(fā)光,未出現(xiàn)與稀土離子相關的特征發(fā)光。通過研究器件的載

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