硅基摻鉺二氧化鈦薄膜的電致發(fā)光.pdf

1、多年來，基于摻鉺(Er)絕緣體或半導(dǎo)體的發(fā)光器件由于具有光通訊波段的～1540nm的發(fā)光被廣泛研究。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，TiO2已被證明是實現(xiàn)Er3+離子發(fā)光的合適基體。近年來，利用硅基摻Er的TiO2薄膜(TiO2∶Er)的TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光已經(jīng)實現(xiàn)。本文通過對TiO2∶Er薄膜進行不同方式的處理，進一步地研究TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光及其機理，取得如下主要結(jié)果:
　　(1)

2、對比研究了基于550℃、650℃、750℃和850℃熱處理的TiO2∶Er薄膜的TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光。在足夠高的正向偏壓（即:p+-Si接正壓）下，基于550℃和650℃熱處理的TiO2∶Er薄膜的器件產(chǎn)生與Er3+離子和TiO2基體中氧空位相關(guān)的電致發(fā)光，其中與Er3+離子相關(guān)的發(fā)光是以氧空位為敏化中心的從TiO2基體向Er3+離子傳遞的能量所激發(fā)的;而基于750℃和850℃熱處理的TiO2∶Er薄膜的器件則

3、不發(fā)光;在足夠高的反向偏壓下，基于750℃和850℃熱處理的TiO2∶Er薄膜的器件產(chǎn)生僅與Er3+離子相關(guān)的電致發(fā)光，它是由熱電子碰撞激發(fā)Er3+離子所致的;而基于550℃和650℃熱處理的TiO2∶Er薄膜的器件則不發(fā)光。分析指出:隨著TiO2∶Er薄膜的熱處理溫度的提高，在p+-Si和TiO2∶Er薄膜之間形成的氧化硅(SiOx，x≤2)層越來越厚，從而改變了載流子在器件中的輸運行為，從而導(dǎo)致不同的電致發(fā)光機制。
　　(2)

4、對比研究了經(jīng)過Ar等離子體處理的和未處理的TiO2薄膜的光致發(fā)光以及基于這兩種TiO2薄膜的TiO2/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn):TiO2薄膜經(jīng)過由工作氣壓為3.5 Pa和放電功率為30 W所產(chǎn)生的Ar等離子處理后，在光致發(fā)光強度上比未處理的TiO2薄膜增加了兩倍以上;并且，在相同電流下基于上述Ar等離子處理的TiO2薄膜的TiO2/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件在電致發(fā)光強度上也比基于未處理的TiO2薄膜的器件高出一倍以上。這是由

5、于上述Ar等離子體處理使TiO2薄膜中的氧空位濃度提高，而TiO2的光致和電致發(fā)光都是由氧空位相關(guān)的束縛激子復(fù)合而產(chǎn)生的。
　　(3)對比研究了Ar等離子體處理的和未處理的TiO2∶Er薄膜的光致發(fā)光以及基于這兩種TiO2∶Er薄膜的TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光。這里，TiO2∶Er薄膜的Ar等離子處理也是在工作氣壓為3.5 Pa和放電功率為30 W的條件下進行的。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2∶Er薄膜經(jīng)過Ar等離子處理后

6、，在光致發(fā)光強度上比未處理的TiO2∶Er薄膜增加了一倍以上;并且，在相同電流下基于上述Ar等離子處理的TiO2∶Er薄膜的TiO2∶Er/p+-Si異質(zhì)結(jié)器件在電致發(fā)光強度上也比基于未處理的TiO2∶Er薄膜的器件高出一倍左右。這是由于上述Ar等離子體處理使TiO2∶Er薄膜中的氧空位濃度提高，這一方面增強了TiO2基體的與氧空位相關(guān)的發(fā)光，另一方面增強了以氧空位為敏化中心的從TiO2基體向Er3+離子的能量傳遞，從而增強了與Er3+