基于含三價(jià)稀土離子的氧化物薄膜的硅基電致發(fā)光器件.pdf

1、眾所周知，作為微電子工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率非常低，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結(jié)構(gòu)，其發(fā)光具有色純度高、穩(wěn)定性好、受基體和外界環(huán)境影響小等特點(diǎn)，這使得人們以很大的熱情研究稀土離子發(fā)光。稀土離子的有效激發(fā)通常需要適當(dāng)?shù)幕w材料，而氧化物便是相當(dāng)理想的基體材料，其中包括氧化物半導(dǎo)體。稀土摻雜的氧化物薄膜的制備工藝與集成電路制造工藝相兼

2、容，因此，實(shí)現(xiàn)硅基稀土摻雜氧化物薄膜電致發(fā)光器件，對于拓寬稀土離子發(fā)光的應(yīng)用范圍和發(fā)展硅基光電集成所需的光源具有重要意義。本文詳細(xì)研究了以摻入不同稀土離子的 TiO2薄膜為發(fā)光層的硅基發(fā)光器件的電致發(fā)光及其物理機(jī)制。此外，還制備了禁帶寬度相對較?。▽儆诎雽?dǎo)體范疇）的Tb4O7薄膜為發(fā)光層的MOS器件，實(shí)現(xiàn)了Tb3+離子的特征電致發(fā)光。本文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：
　　(1)利用射頻濺射法，在重?fù)絧型硅片（p+-Si）上沉積Eu含量

3、不同（0.8％和1.2%）的TiO2（TiO2:Eu）薄膜，隨后進(jìn)行550或650?C的熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了基于 TiO2:Eu/p+-Si異質(zhì)結(jié)的器件，實(shí)現(xiàn)其電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，與Eu3+相關(guān)的紅色發(fā)光是由 TiO2基體中的氧空位作為敏化中心向鄰近的 Eu3+離子傳遞的能量所激發(fā)的，而該過程減弱了與氧空位相關(guān)的可見發(fā)光。TiO2薄膜中更高的 Eu含量和 TiO2:Eu薄膜的更高熱處理溫度均能夠促進(jìn)從 TiO2基體向 Eu3+離子

4、的能量傳遞。因此，通過提高TiO2薄膜中的Eu含量和TiO2:Eu薄膜的熱處理溫度，可以使器件的電致發(fā)光從氧空位相關(guān)的發(fā)光為主轉(zhuǎn)變?yōu)榕cEu相關(guān)的發(fā)光為主，從而展現(xiàn)出不同的發(fā)光顏色。
　　(2)利用射頻濺射法，在p+-Si上沉積不同Tm含量的TiO2薄膜，隨后進(jìn)行氧氣氛下650?C熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備基于TiO2:Tm/p+-Si異質(zhì)結(jié)的器件，實(shí)現(xiàn)了源自TiO2基體的可見發(fā)光和源自Tm3+離子的近紅外電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，基于Ti

5、O2:Tm（0.9%）薄膜的器件發(fā)射出與Tm3+離子相關(guān)的~800 nm發(fā)光，同時(shí)與TiO2基體相關(guān)的可見發(fā)光顯著減弱，表明與Tm3+相關(guān)的發(fā)光是由TiO2基體向Tm3+離子傳遞的能量激發(fā)的。隨著TiO2:Tm薄膜中的Tm含量的增加，上述可見和近紅外發(fā)光均顯著增強(qiáng)，可歸因于摻入更高含量的Tm3+在TiO2基體中引入了更多氧空位。此外，在TiO2:Tm(1.6%)薄膜中共摻F后，器件的可見和近紅外發(fā)光被完全抑制。由于離子半徑相近，摻入的F

6、-離子傾向于占據(jù)氧空位的位置。這從側(cè)面證實(shí)了TiO2基體與Tm3+離子之間的能量傳遞是通過氧空位作為敏化中心進(jìn)行的。
　　(3)利用射頻濺射法，在p+-Si上沉積共摻Fe和Er的TiO2【TiO2:(Fe, Er)】薄膜，隨后進(jìn)行氧氣氛下550?C熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了基于 TiO2:(Fe, Er)/p+-Si異質(zhì)結(jié)的器件。在正向偏壓下，該器件僅發(fā)射出與Er3+離子相關(guān)的~1540 nm近紅外光。研究表明，共摻Fe抑制了與E

7、r3+離子和TiO2基體中的氧空位相關(guān)的可見發(fā)光，而與Er3+離子相關(guān)的~1540 nm發(fā)光被一定程度地增強(qiáng)。Fe雜質(zhì)在TiO2禁帶中引入能級，作為電子和空穴的復(fù)合中心。載流子通過與Fe相關(guān)的能級輔助的間接復(fù)合所釋放的能量僅能激發(fā)電子從 Er3+離子的基態(tài)躍遷到次低的激發(fā)態(tài)，在隨后的退激發(fā)過程中，僅發(fā)射出~1540 nm的近紅外發(fā)光。
　　(4)在重?fù)絥型硅片（n+-Si）上先通過干法熱氧化形成?10 nm的SiO2薄膜，然后利用

8、射頻濺射法沉積摻入不同稀土離子的TiO2（TiO2:RE，RE= Eu、Er、Tm或 Nd）薄膜，隨后進(jìn)行氧氣氛下700?C熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備了ITO/TiO2:RE/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的器件。在低于10 V的直流偏壓下，實(shí)現(xiàn)了該類器件的紅色、綠色、藍(lán)色和近紅外的電致發(fā)光，它們源自于 TiO2薄膜中的各種稀土離子受碰撞激發(fā)后的自發(fā)輻射。分析指出，當(dāng)在 ITO電極上施加足夠高的正向電壓時(shí)，n+-Si中的電子通過缺陷輔助隧穿機(jī)制進(jìn)入S

9、iO2層的導(dǎo)帶，在電場驅(qū)動下，電子落入TiO2:RE層的導(dǎo)帶，獲得了相當(dāng)于SiO2與TiO2導(dǎo)帶勢能差的能量（?4 eV），從而成為熱電子。這些熱電子碰撞激發(fā)TiO2薄膜中的RE3+離子，從而導(dǎo)致RE3+離子的特征發(fā)光。
　　(5)利用射頻濺射法，分別在重?fù)搅缀椭負(fù)脚鸬墓枰r底（n+-Si和 p+-Si）上沉積Tb4O7薄膜，隨后進(jìn)行氬氣氛下900?C熱處理。在此基礎(chǔ)上，制備以Tb4O7薄膜為發(fā)光層的MOS器件，實(shí)現(xiàn)了源自Tb3+離