基于含三价稀土离子的氧化物薄膜的硅基电致发光器件

摘要

众所周知，作为微电子工业基础材料的硅是一种间接带隙半导体，发光效率非常低，这严重限制了硅基光电集成技术的发展。因此，需要利用其它发光材料制备用于硅基光电集成的光源。稀土离子具有特殊的电子结构，其发光具有色纯度高、稳定性好、受基体和外界环境影响小等特点，这使得人们以很大的热情研究稀土离子发光。稀土离子的有效激发通常需要适当的基体材料，而氧化物便是相当理想的基体材料，其中包括氧化物半导体。稀土掺杂的氧化物薄膜的制备工艺与集成电路制造工艺相兼容，因此，实现硅基稀土掺杂氧化物薄膜电致发光器件，对于拓宽稀土离子发光的应用范围和发展硅基光电集成所需的光源具有重要意义。本文详细研究了以掺入不同稀土离子的 TiO2薄膜为发光层的硅基发光器件的电致发光及其物理机制。此外，还制备了禁带宽度相对较小（属于半导体范畴）的Tb4O7薄膜为发光层的MOS器件，实现了Tb3+离子的特征电致发光。本文取得的主要创新成果如下：
　　(1)利用射频溅射法，在重掺p型硅片（p+-Si）上沉积Eu含量不同（0.8％和1.2%）的TiO2（TiO2:Eu）薄膜，随后进行550或650?C的热处理。在此基础上，制备了基于 TiO2:Eu/p+-Si异质结的器件，实现其电致发光。研究发现，与Eu3+相关的红色发光是由 TiO2基体中的氧空位作为敏化中心向邻近的 Eu3+离子传递的能量所激发的，而该过程减弱了与氧空位相关的可见发光。TiO2薄膜中更高的 Eu含量和 TiO2:Eu薄膜的更高热处理温度均能够促进从 TiO2基体向 Eu3+离子的能量传递。因此，通过提高TiO2薄膜中的Eu含量和TiO2:Eu薄膜的热处理温度，可以使器件的电致发光从氧空位相关的发光为主转变为与Eu相关的发光为主，从而展现出不同的发光颜色。
　　(2)利用射频溅射法，在p+-Si上沉积不同Tm含量的TiO2薄膜，随后进行氧气氛下650?C热处理。在此基础上，制备基于TiO2:Tm/p+-Si异质结的器件，实现了源自TiO2基体的可见发光和源自Tm3+离子的近红外电致发光。研究发现，基于TiO2:Tm（0.9%）薄膜的器件发射出与Tm3+离子相关的~800 nm发光，同时与TiO2基体相关的可见发光显著减弱，表明与Tm3+相关的发光是由TiO2基体向Tm3+离子传递的能量激发的。随着TiO2:Tm薄膜中的Tm含量的增加，上述可见和近红外发光均显著增强，可归因于掺入更高含量的Tm3+在TiO2基体中引入了更多氧空位。此外，在TiO2:Tm(1.6%)薄膜中共掺F后，器件的可见和近红外发光被完全抑制。由于离子半径相近，掺入的F-离子倾向于占据氧空位的位置。这从侧面证实了TiO2基体与Tm3+离子之间的能量传递是通过氧空位作为敏化中心进行的。
　　(3)利用射频溅射法，在p+-Si上沉积共掺Fe和Er的TiO2【TiO2:(Fe, Er)】薄膜，随后进行氧气氛下550?C热处理。在此基础上，制备了基于 TiO2:(Fe, Er)/p+-Si异质结的器件。在正向偏压下，该器件仅发射出与Er3+离子相关的~1540 nm近红外光。研究表明，共掺Fe抑制了与Er3+离子和TiO2基体中的氧空位相关的可见发光，而与Er3+离子相关的~1540 nm发光被一定程度地增强。Fe杂质在TiO2禁带中引入能级，作为电子和空穴的复合中心。载流子通过与Fe相关的能级辅助的间接复合所释放的能量仅能激发电子从 Er3+离子的基态跃迁到次低的激发态，在随后的退激发过程中，仅发射出~1540 nm的近红外发光。
　　(4)在重掺n型硅片（n+-Si）上先通过干法热氧化形成?10 nm的SiO2薄膜，然后利用射频溅射法沉积掺入不同稀土离子的TiO2（TiO2:RE，RE= Eu、Er、Tm或 Nd）薄膜，随后进行氧气氛下700?C热处理。在此基础上，制备了ITO/TiO2:RE/SiO2/Si结构的器件。在低于10 V的直流偏压下，实现了该类器件的红色、绿色、蓝色和近红外的电致发光，它们源自于 TiO2薄膜中的各种稀土离子受碰撞激发后的自发辐射。分析指出，当在 ITO电极上施加足够高的正向电压时，n+-Si中的电子通过缺陷辅助隧穿机制进入SiO2层的导带，在电场驱动下，电子落入TiO2:RE层的导带，获得了相当于SiO2与TiO2导带势能差的能量（?4 eV），从而成为热电子。这些热电子碰撞激发TiO2薄膜中的RE3+离子，从而导致RE3+离子的特征发光。
　　(5)利用射频溅射法，分别在重掺磷和重掺硼的硅衬底（n+-Si和 p+-Si）上沉积Tb4O7薄膜，随后进行氩气氛下900?C热处理。在此基础上，制备以Tb4O7薄膜为发光层的MOS器件，实现了源自Tb3+离子内4f跃迁的绿色电致发光，其开启电压低于10 V。通过分析器件的电流-电压特性和电致发光谱，指出 n+-Si（或p+-Si）中的电子（空穴）通过缺陷辅助隧穿机制进入Tb4O7的导带（价带），并在电场作用下加速，形成热电子（空穴），它们碰撞激发 Tb4O7薄膜中固有的Tb3+离子，从而导致Tb3+离子的特征绿色发光。

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第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 引言

2.2 稀土及其发光性能

2.3 稀土发光材料的研究现状

第三章 材料和器件的制备方法及表征

3.1 材料和器件的制备设备

3.2 材料和器件的制备工艺

3.3 材料和器件测试制备

第四章 TiO2:Eu/p+-Si异质结器件的波长可调的电致发光：能量传递过程的调控

4.1 引言

4.2 基于Eu掺杂TiO2薄膜的器件的制备

4.3 Eu掺杂TiO2薄膜的表征

4.4 基于Eu掺杂TiO2薄膜的异质结器件的可见电致发光

4.5 本章小结

第五章 TiO2:Tm/p+-Si异质结器件的电致发光

5.1 引言

5.2 TiO2:Tm/p+-Si异质结器件的制备

5.3 TiO2:Tm薄膜的表征

5.4 TiO2:Tm/p+-Si异质结器件的电致发光

5.5 本章小结

第六章 TiO2:(Fe, Er)/p+-Si异质结器件的电致发光：Fe共掺对Er3+离子发光的调控

6.1 引言

6.2 基于TiO2:(Fe, Er)薄膜的器件的制备

6.3 热处理后的各种薄膜的表征

6.4 Fe掺杂对基于TiO2和TiO2:Er薄膜的异质结器件电致发光的影响

6.5 基于TiO2:(Fe, Er)薄膜的异质结器件的电致发光机理

6.6 本章小结

第七章 基于稀土掺杂TiO2薄膜的发光器件的三基色和近红外电致发光

7.1 引言

7.2 ITO/TiO2:RE/SiO2/Si多层结构器件的制备

7.3 TiO2:RE薄膜的表征

7.4 ITO/TiO2:RE/SiO2/Si多层结构器件的电致发光

7.5 发光层结构和成分对器件发光性能的影响

7.6 器件的载流子输运特性及电致发光机理

7.7 本章小结

第八章 基于Tb4O7薄膜的硅基LED的绿色电致发光：热载流子碰撞Tb3+离子

8.1 引言

8.2 基于Tb4O7薄膜的硅基MOS器件的制备

8.3 Tb4O7薄膜的表征

8.4 基于Tb4O7薄膜的硅基MOS器件的电致发光

8.5 基于Tb4O7薄膜的硅基MOS器件的载流子输运机制和电致发光机理

8.7 本章小结

第九章 总结

9.1 结论

9.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果