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

1、硅是間接禁帶半導(dǎo)體，室溫下發(fā)光效率很低，這嚴(yán)重限制了硅基光電集成技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(lǐng)域。本文詳細(xì)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(dǎo)體（MOS）器件的電致發(fā)光及其物理機(jī)制，取得如下主要創(chuàng)新成果：
　?。?）采用射頻磁控濺射法，在重?fù)絧型硅（p+-Si）襯底上沉積CeO2薄膜，并在不同溫度下進(jìn)行熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)合器件的載流子輸運特性和器件的能帶結(jié)構(gòu)圖，闡明了器件的電致發(fā)光機(jī)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(guān)的缺陷能級及與Ce3+離子相關(guān)的Ce4f1能帶。氧空位相關(guān)的不同能級上的電子與Ce4f1能帶中的空穴

4、發(fā)生輻射復(fù)合，導(dǎo)致了不同波長的發(fā)光。
　?。?）利用射頻磁控濺射法，在重?fù)絥型硅（n+-Si）襯底上沉積摻Er的CeO2（CeO2:Er）薄膜，并在不同溫度下進(jìn)行熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了結(jié)構(gòu)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(qiáng)，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(fù)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(jìn)入CeO2導(dǎo)帶，并在電場的加速下成為“熱電子”，進(jìn)而碰撞激發(fā)CeO2基質(zhì)中的Er3+離子，隨后的退激發(fā)產(chǎn)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(jìn)行熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了結(jié)構(gòu)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(guān)，這在本質(zhì)上是由器件的載流子輸運機(jī)制所決定的。基于400°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(jī)制，從ITO電極注入到CeO2基體中的電子（占據(jù)氧空位相關(guān)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(fù)合，產(chǎn)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(jī)制，電子從ITO電極依靠TAT機(jī)制注入到CeO2導(dǎo)帶中，在電場加速下成為熱電子，進(jìn)而碰撞激發(fā)Eu3+離子，隨后的退激發(fā)產(chǎn)生單色性相當(dāng)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(jī)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。
　?。?）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(jìn)行熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(rèn)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(guān)的缺陷（F+、AOD+中心）及與Zr3+離子相關(guān)的缺陷捕獲，當(dāng)這些電子和空穴發(fā)生輻射復(fù)合時，產(chǎn)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(guān)的特征發(fā)光。通過研究器件的載