一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及其制备方法和发光方法，属于光电子技术领域。所述的电致发光器件，包括外延硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，所述的发光层为铒和氟共掺杂的ZnO薄膜。本发明专利技术的电致发光器件在6～10V的正向偏压(即Au欧姆接触电极接负电压，ITO透明电极层接正电压)下可发光，且电致发光谱中有且仅有位于可见光区和红外光区的铒离子的特征发光峰，无任何ZnO基质相关的发光峰。

An Electroluminescent Device Based on Erbium and Fluorine Co-doped ZnO Films and Its Preparation Method

The invention discloses an electroluminescent device based on erbium and fluorine co-doped zinc oxide film, a preparation method and a luminescent method thereof, belonging to the field of Optoelectronics technology. The electroluminescent device comprises an epitaxial silicon substrate, a luminescent layer and a transparent electrode layer are arranged on the front of the silicon substrate in turn, and an ohmic contact electrode is arranged on the back of the silicon substrate. The luminescent layer is Erbium and fluorine co-doped ZnO thin film. The electroluminescent device of the present invention can emit light under 6-10V positive bias (i.e., negative voltage of Au ohmic contact electrode and positive voltage of ITO transparent electrode layer), and there are only characteristic emission peaks of Erbium ion in visible and infrared regions in the electroluminescent spectrum, and there are no emission peaks related to ZnO matrix.

【技术实现步骤摘要】
一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及制备方法
本专利技术涉及光电子
，具体涉及一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及其制备方法。
技术介绍
稀土掺杂氧化物发光材料在平面显示、激光材料和光纤通讯等多领域具有重要应用。由于Er3+离子内层4f电子跃迁的发光波长～1.54μm，位于光通讯用石英光纤的最小损耗窗口，因而研究掺Er材料对实现硅基光电集成具有十分重要的意义。一直以来，人们将注意力集中在Er掺杂的氧化硅(A.Irrera,F.Iacona,G.Franzo,M.Miritello,R.L.Savio,M.E.Castagna,S.Coffa,andF.Priolo,J.Appl.Phys.107,054302(2010))、氮化硅(S.Yerci,R.Li,andL.DalNegro,Appl.Phys.Lett.97,081109(2010))材料体系，但是这两种体系存在一些譬如开启电压极高，电注入困难等较为棘手的问题。另外，基于Er掺杂Ⅲ-Ⅴ族材料的研究也较多，特别是Er掺杂的GaN材料(M.Garter,J.Scofield,R.BirkhahnandA.J.Steckl，Appl.Phys.Lett.74，182(1999)；R.Dahal，C.Ugolini，J.Y.Lin，H.X.JiangandJ.M.Zavada,Appl.Phys.Lett.97,141109(2010))，但是这种材料制备时需要高真空设备，并且在可预见的未来还会面临Ga资源枯竭问题。因此，探寻一种资源丰富、器件开启电压低、高发光效率的新型半导体基质材料具有重要的现实意义。ZnO作为一种常见的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。并且其导电能力适中，载流子的注入与传输较容易实现，因此较适合做电致器件。同时ZnO还具有抗辐照能力强，晶体生长温度低，制备方法简单多样，易于湿化学腐蚀等优点，已在光电、压电、磁性和气敏等多种材料领域广泛应用。已有不少研究实现了基于Er掺杂ZnO的光致发光，但基于Er掺杂ZnO硅基电致发光器件的报道极少，特别是基于Er、F共掺杂ZnO/n-Si型电致发光器件还未见诸报道。杨扬等在p+-Si上沉积掺Er的ZnO薄膜，成功制备了ZnO:Er/p+-Si异质结器件(YangYang,YunpengLi,LuelueXiang,XiangyangMa,andDerenYang,AppliedPhysicsLetters102,181111(2013))，该器件在<10V的正向驱动电压(p+-Si接正电压)下发出Er的特征发光峰，但在可见光区检测到ZnO中氧空位相关的发光宽包。这种情况下，ZnO基质相关的发光与Er的发光相互竞争，不利于进一步提高器件中Er的发光效率。杨扬等还尝试在n+-Si上沉积ZnMgO/ZnO多层结构，成功制备出了ZnMgO/ZnO/n+-Si多层结构器件(YangYang,YunpengLi,CanxingWang,ChenZhu,ChunyanLv,XiangyangMa,andDerenYang,Adv.OpticalMater.2,240(2014))，该器件电致发光谱中只发现Er相关的发光峰，但是器件结构较为复杂，且热处理条件较为严苛。因此，亟需一种更为简单便捷实现纯Er发光的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单、方便操作的能够实现纯Er发光的电致发光器件。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，包括硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，所述的发光层为铒、氟共掺杂的ZnO薄膜。作为优选，所述发光层的厚度为100～140nm。作为优选，以原子百分比计，所述发光层中稀土铒的掺杂量为1％～5％，氟的掺杂量为1％～3％。稀土铒的掺杂量不能过高也不能太低，过高容易出现浓度猝灭，过低器件的发光强度不够强。更为优选，所述发光层中稀土铒的掺杂量为1％，氟的掺杂量为3％。作为优选，所述透明电极层为透明的ITO膜。该膜导电性好、透光率高。作为优选，所述透明电极层的厚度为140～160nm。欧姆接触电极可选用本领域使用的导电材料，作为优选，所述的欧姆接触电极为金(Au)膜，所述的Au膜的厚度为140～160nm。所述硅衬底采用n型硅片，作为优选，所述硅衬底为n型外延<100>硅片，具体为重掺磷的硅片(电阻率0.0011-0.0012Ω·cm,厚度～625μm)上外延轻掺磷的硅外延层(电阻率3-15Ω·cm,厚度～45μm)，该类硅衬底有利于降低器件电流，提升注入电子的利用率。本专利技术提供的基于稀土铒离子和卤素氟离子共掺杂的ZnO薄膜的电致发光器件的电致发光是源自于碰撞激发机制，具体如下：器件经过高温热处理后，ZnO薄膜和Si衬底之间会生成一层SiOx薄层(～3nm)，且其中存在大量的缺陷。在一定的电场作用下，n-Si中的电子容易被SiOx中的缺陷所捕获，被捕获的电子经P-F或TAT导电机制进入SiOx的导带。处于SiOx导带中的电子将在电场作用下加速。另外，由于SiOx的电子亲和能为0.9eV，ZnO的电子亲和能为4.35eV，因此当电子从SiOx的导带落入到ZnO的导带中时，电子会获得额外的3.45eV的能量，这样电子获得足够的动能，成为“热电子”，热电子碰撞激发ZnO中的Er3+，发出Er3+的特征发光峰，并且由于电子是直接激发Er3+，因此不会观测到与ZnO基质相关的发光。而F-的共掺可以影响Er3+离子周围的晶体场对称性，小尺寸的F-离子处于O2-的替位，可以在ZnO的晶格中引入晶格畸变，这两种效果都能提升Er离子跃迁几率，从而使器件的电致发光更强。本专利技术还提供了制备所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件的方法，包括以下步骤：(1)在硅衬底正面通过磁控溅射法沉积铒、氟共掺杂的ZnO薄膜，再在O2气氛中热处理；(2)利用直流溅射法在铒、氟共掺杂的ZnO薄膜上沉积透明电极层；(3)利用直流溅射法在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。步骤(1)中，采用掺杂有氟化铒的氧化锌陶瓷靶进行溅射沉积。铒的掺入量通过调整陶瓷靶中氟化铒的含量来控制，掺杂ZnO薄膜的整体厚度通过调整施加在陶瓷靶上的功率和溅射时间来控制。作为优选，步骤(1)中，所述热处理的温度为700～800℃，时间为3～120min。本专利技术还提供了一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件的发光方法，在透明电极层和欧姆接触电极之间施加6～10V的电压。本专利技术提供的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件在施加6～10V的正向偏压(即硅片背面Au电极接负电压，正面ITO膜接正电压)下会发光，并且发光峰中有且仅有Er3+相关的特征发光峰(其中包含～1.54μm的红外光)，没有任何来自ZnO基质的光。与现有技术相比，本专利技术具备的有益效果：本专利技术在n型硅片表面沉积铒、氟共掺杂ZnO薄膜，进而制备的电致发光器件有且仅有Er3+离子在可见和红外区的特征发光峰，没有任何来自ZnO基质相关的发光峰；且制备方法简单易操作。附图说明图1为本专利技术电致发光器件的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，包括硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，其特征在于，所述的发光层为铒、氟共掺杂的ZnO薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，包括硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，其特征在于，所述的发光层为铒、氟共掺杂的ZnO薄膜。2.如权利要求1所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，其特征在于，所述发光层的厚度为100～140nm。3.如权利要求1或2所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，其特征在于，以原子百分比计，所述发光层中稀土铒的掺杂量为1％～5％，氟的掺杂量为1％～3％。4.如权利要求1所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，其特征在于，所述透明电极层为透明的掺锡氧化铟薄膜。5.如权利要求1或4所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件，其特征在于，所述透明电极层的厚度为140～160nm。6.如权利要求1所述的基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发...

【专利技术属性】
技术研发人员：马向阳，陈金鑫，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33