硅基稀土氧化物半導(dǎo)體Eu2O3電致發(fā)光性能研究.pdf

1、稀土氧化物半導(dǎo)體作為一類特殊的半導(dǎo)體材料，具有以ZnO、GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。稀土氧化物半導(dǎo)體的能帶模型除包含導(dǎo)帶、價(jià)帶外，還包含特殊的極窄的4f能帶。4f能帶的相對(duì)位置對(duì)于稀土氧化物半導(dǎo)體中電荷載流子的起源具有重要的影響。電子能夠從價(jià)帶激發(fā)到4fn+1能帶或者從4fn能帶激發(fā)到導(dǎo)帶中，從而產(chǎn)生f-f躍遷，而非一個(gè)寬的帶間躍遷。因此，基于稀土氧化物薄膜的電致發(fā)光器件不僅可以具備稀土離子譜線豐富、色純度高以及

2、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，并解決了稀土離子在基質(zhì)材料中固溶度低的問題，還因其半導(dǎo)體特性，可以獲得較低的工作電壓。更重要的是，對(duì)于Eu2O3材料，它的晶格常數(shù)為10.86(A)，與硅(晶格常數(shù):5.43(A))的晶格失配度幾乎為零，使得硅基Eu2O3薄膜電致發(fā)光器件可以與目前日益成熟的硅基CMOS工藝完美兼容。
　　本論文利用磁控濺射技術(shù)在硅襯底上沉積了Eu2O3薄膜，制備了硅基電致發(fā)光器件，得到了Eu3+離子的特征紅色電致發(fā)光，不僅改善了

3、硅基紅光LED普遍發(fā)光效率低的問題，同時(shí)極大地拓展了稀土氧化物材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為硅基發(fā)光器件的研究提供了嶄新的思路和途徑。本研究工作得到的主要成果如下:
　　(1)Eu2O3/P+-Si電致發(fā)光器件的制備，通過(guò)施加正向電壓得到了Eu3+離子的紅色電致發(fā)光:利用磁控濺射法在P+-Si襯底上沉積了Eu2O3薄膜，對(duì)不同退火條件得到的薄膜進(jìn)行了XRD表征和PL光譜測(cè)試，并計(jì)算其相應(yīng)的光學(xué)帶隙。同時(shí)制備了Eu2O3/P+-Si電致發(fā)光器件

4、，獲得了Eu3+離子的紅色電致發(fā)光，對(duì)器件的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了研究，并從薄膜厚度、退火溫度、退火氣流量等方面對(duì)器件的發(fā)光性能作了初步的改善。
　　(2)雙層結(jié)構(gòu)Eu2O3/Tb2O3電致發(fā)光器件的制備，通過(guò)引入一層Tb2O3薄膜作為空穴注入層，使器件的發(fā)光強(qiáng)度和開啟電壓都得到了改善:利用磁控濺射法在P+Si襯底上首先沉積了一層Tb2O3薄膜，隨后在其上表面沉積Eu2O3薄膜，制備出雙層結(jié)構(gòu)的Eu2O3/Tb2O3/P+-Si電致發(fā)光器

5、件。引入一層Tb2O3薄膜作為空穴注入層，制備得到的電致器件可以獲得較強(qiáng)的Eu3+離子的紅色電致發(fā)光，對(duì)器件的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了Tb2O3層對(duì)器件發(fā)光性能的影響，最后從Tb2O3薄膜厚度、退火溫度、退火氣流量等方面對(duì)器件的發(fā)光性能進(jìn)行了更進(jìn)一步的優(yōu)化。
　　(3)共濺射法Eu2O3∶Tb3+電致發(fā)光器件的制備，器件在施加正向和反向電壓下均能得到Eu3+離子的紅色電致發(fā)光:采用Eu2O3靶材和金屬Tb靶共濺射在P+-Si襯底

6、上沉積了Eu2O3∶Tb3+薄膜，制備出Eu2O3∶Tb3+/P+-Si電致發(fā)光器件。通過(guò)對(duì)器件分別施加正向和反向電壓，測(cè)試不同電壓方向的器件電致發(fā)光性能，并對(duì)器件的發(fā)光機(jī)理分別進(jìn)行了研究，分析了通過(guò)共濺射摻雜進(jìn)Eu2O3薄膜中的Tb3+離子對(duì)Eu+離子紅色電致發(fā)光起到的作用，最后通過(guò)調(diào)整襯底類型和電阻率提高相應(yīng)器件的發(fā)光性能。
　　(4)共濺射法Eu2O3∶Tb3+電致發(fā)光器件性能的優(yōu)化:首先研究了不同濃度的W6+，In3+和C

7、a2+金屬離子摻雜對(duì)器件性能的影響。其次在Eu2O3∶Tb3+器件中分別引入了一層NiO，Y2O3和Ga2O3薄膜制備了雙層結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光器件，通過(guò)調(diào)整引入的薄膜厚度研究其與器件發(fā)光性能的關(guān)系，并對(duì)器件的發(fā)光機(jī)理和導(dǎo)電機(jī)制分別進(jìn)行分析。接著研究了退火氣氛、退火溫度以及退火時(shí)間對(duì)Ga2O3/Eu2O3∶Tb3+/N+-Si電致器件性能的影響。值得注意的是，退火時(shí)間為1min的器件在3V左右可以獲得較強(qiáng)烈的紅色發(fā)光。最后分析了發(fā)光層厚度以及