原子層沉積方法制備稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光器件.pdf

1、硅基稀土摻雜的電致發(fā)光器件在硅集成光電子領域具有良好的應用前景，原子層沉積(ALD)作為微電子柵層薄膜的沉積技術(shù)，是制備薄膜電致發(fā)光器件的理想薄膜生長技術(shù)。而完全基于原子層沉積技術(shù)制備的硅基稀土摻雜電致發(fā)光器件卻未見諸報道。本論文利用原子層沉積技術(shù)先后研制了SiO2、HfO2、Al2O3、Gd2O3、TiO2等寬禁帶絕緣薄膜、high-k薄膜、透明半導體薄膜。在此基礎上從原子層尺度精確配比構(gòu)建了光電性能可控的ZnO/Al2O3、TiO2

2、/Al2O3、稀土氧化物等摻雜納米層狀復合薄膜。然后制備了Gd摻雜的MOS電致發(fā)光器件，并研究了MOS器件的不同結(jié)構(gòu)對器件發(fā)光性質(zhì)和電學性質(zhì)的影響。
　　 第一，我們在不使用額外增壓附件的情況下，利用Gd(THD)3和O3，通過調(diào)控釓源的溫度，釓源的脈沖長度，以及襯底溫度生長出了優(yōu)質(zhì)的氧化釓(Gd2O3)薄膜。這是制備稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光器件的基礎和必要條件。我們優(yōu)化了氧化釓薄膜的生長條件，并研究了氧化釓薄膜在退火溫

3、度下的結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)。結(jié)構(gòu)方面，當退火溫度在1000℃及以下時，薄膜為立方相，當退火溫度達到1100℃時，氧化釓薄膜與Si襯底間形成了硅酸鹽;電學方面，600℃以下的退火能優(yōu)化薄膜的電學性質(zhì)。
　　 第二，我們利用原子層沉積技術(shù)制備了Al2O3、HfO2、TiO2、TiO2/Al2O3等多種柵介質(zhì)緩沖層，并研究其電學性質(zhì)，最終通過調(diào)控TiO2和Al2O3薄膜的厚度比和單個復合層薄膜的厚度，得到了既有一定的導電性又有一定介電性的T

4、iAlOx復合薄膜。高質(zhì)量的緩沖保護層的制備是實現(xiàn)稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光非常重要的一步。在緩沖層的探究過程中我們得到如下的結(jié)論:
　　 1、氧源和退火溫度均對氧化鋁、氧化鉿薄膜的電學性質(zhì)產(chǎn)生影響。其中，用臭氧生長的氧化鋁薄膜的電學性質(zhì)最好。用臭氧生長的氧化鋁薄膜在600℃氮氣氛圍下退火后，擊穿場強增大到4.6×108V/m，介電常數(shù)增加到7.7，為下一步制備TiAlOx復合薄膜打下基礎。
　　 2、用臭氧生長的

5、氧化鈦薄膜，生長窗口在100到220℃之間，生長速率為0.4(A)/cycle，當生長溫度為200℃時，氧化鈦薄膜開始形成銳鈦礦結(jié)構(gòu)，并在500nm處開始出現(xiàn)發(fā)光峰，當生長溫度為350℃時氧化鈦薄膜開始形成金紅石相，銳鈦礦相減弱，500nm處的發(fā)光峰也隨之減弱。500nm處出現(xiàn)的發(fā)光峰與銳鈦礦結(jié)構(gòu)有關(guān)。用臭氧生長的氧化鈦薄膜為下一步制備高質(zhì)量的TiAlOx復合薄膜提供了必要條件。
　　 3、在用ALD交替生長氧化鈦和氧化鋁薄膜的

6、基礎上，通過調(diào)控單個復合層中TiO2/Al2O3的比值和調(diào)控單個復合層的厚度兩種方式，探究合適的緩沖層。當TiO2在復合層中的厚度比值為0.775，單個復合層的厚度為10nm時，TiO2/Al2O3復合薄膜的漏電流適中，且不出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，既具有了一定的導電性，又具有了一定的介電性。
　　 第三，我們完全基于原子層沉積技術(shù)制備了高質(zhì)量的發(fā)光層、緩沖層、透明導電電極，并在此基礎上，首次制備了完全基于原子層沉積的稀土Gd摻雜SiO2薄

7、膜電致發(fā)光器件Al/Si/SiO2∶Gd3+/TiAlOx/AZO（樣品1），并在50μA的注入電流下，成功觀察到了該器件在314nm處Gd離子的發(fā)光和在372nm、460nm處來自雜質(zhì)、缺陷的發(fā)光。
　　 第四，在樣品1的基礎上，我們重新設計并成功制備了不同的電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)Al/Si/SiO2∶Gd3+/HfO2/TiAlOx/AZO（樣品2）和Al/Si/SiO2∶Gd3+（加厚）/TiAlOx/AZO（樣品3），在這兩個