一种氟铒共掺氧化锡薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氟铒共掺氧化锡薄膜及其制备方法和在近红外电致发光领域中的应用。制备方法包括：在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用射频磁控溅射方法对掺氟氧化锡靶和氧化铒靶进行共溅射沉积薄膜；掺氟氧化锡靶中氟化亚锡的质量百分占比不大于20％；在氧气或氮气气氛下，将共溅射沉积得到的薄膜升温至200℃以上进行高温热处理，冷却得到氟铒共掺氧化锡薄膜。本发明专利技术薄膜用于制作电致发光器件后，在施加反向偏压的情况下，基于空间电荷区中发生的电子碰撞离化效应，可以实现较强的电致发光。光。光。

【技术实现步骤摘要】
Codoping,ACS Applied Materials&Interfaces,202214(39),44498
‑
44505，通过在重掺n型硅片上热氧化生长一层薄的SiO
x
层(约10nm)，通过该层产生的热载流子激发铒离子，并通过共掺Ti元素调控晶体场环境，获得了较高的电致发光强度。但是该类器件需要热氧化工艺在硅片上生长热氧化层，这增加了生产中的工艺步骤，同时其工作电压仍大于10V，依然缺乏对制备简单，成本较低和低发光电压的掺铒电致发光器件的研究。
[0007]所以，掺铒硅基电致发光器件目前的瓶颈在于缺少一种优秀的掺铒基体材料，在保证电学性能的前提下，能抑制能量背传递效应实现低工作电压高效率的掺铒近红外电致发光；同时，缺少对较少制备工艺步骤的低成本电致发光器件的研究。
[0008]针对本领域存在的不足之处，即
①
缺乏一种优异的铒离子发光基体，让其制备的掺铒电致发光器件有低的工作电压，同时能避免铒向基体的能量背传递效应，且铒离子在基体中具有较高的光学活性；
②
缺乏对电致发光器件发光机理的分析和对器件宏观结构的设计，以获得更高效的铒离子近红外电致发光；
③
缺乏工艺步骤简单，成本较低，生长方式兼容大规模工业化生产的电致发光器件。故本专利技术提出了一种新型的氟铒共掺氧化锡薄膜，目前没有实现掺铒氧化锡薄膜近红外电致发光的报道，由Dung C,etal.Remarkable enhancement of Er
3+
emission at 1.54μm in Er/Yb co
‑
doped SiO2‑
SnO
2 glass
‑
ceramics[J].Journal of Alloys&Compounds,2018:S092583881831750X报道了通过在溶胶凝胶法制备的氧化锡
‑
氧化硅微晶玻璃中共掺镱和铒元素，在光致发光测试中，获得了非常强的近红外特征发光。类似的，目前基于氧化锡掺铒薄膜的研究仅仅局限于光致发光中，多为氧化锡掺入其他基体中作为敏化剂去激发铒离子，缺乏对这一优异掺铒基体的探究，同时基于氧化锡薄膜的近红外电致发光器件未得到任何报道，这不能满足最初提出的利用掺铒电致光源解决硅基光电子技术中存在的技术难题的初衷。

技术实现思路

[0009]针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种氟铒共掺氧化锡薄膜的制备方法，通过射频磁控溅射可以得到致密的薄膜，通过后续的热处理工艺钝化薄膜内存在的部分缺陷，并使氧化锡薄膜充分晶化，铒离子替位锡离子完成掺杂，同时氟离子取代氧离子进一步优化薄膜的电学性能和铒所处的晶体场对称性，提高了薄膜内的载流子浓度和铒离子的跃迁几率，用于制作电致发光器件后可降低器件的工作电压并提高其工作效率，在施加反向偏压的情况下，基于空间电荷区中发生的电子碰撞离化效应，可以实现较强的电致发光。
[0010]一种氟铒共掺氧化锡薄膜的制备方法，包括步骤：
[0011](1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用射频磁控溅射方法对掺氟氧化锡靶和氧化铒靶进行共溅射沉积薄膜；所述掺氟氧化锡靶中氟化亚锡的质量百分占比不大于20％，氟掺杂量过高，将会增强电离杂质散射，增加电子的碰撞概率，降低激发铒离子的电子能量；如果采用无氟掺杂的纯氧化锡靶，则薄膜导电性差，用于制作电致发光器件无法获得预期效果；
[0012](2)在氧气或氮气(优选氧气)气氛下，将共溅射沉积得到的薄膜升温至200℃以上进行高温热处理，冷却得到所述氟铒共掺氧化锡薄膜。
[0013]在一优选例中，步骤(1)中，在进行共溅射沉积薄膜前先进行预溅射(时间可以自
定，例如5min以上等)，打开样品挡板开始在加热的衬底上沉积薄膜
[0014]本专利技术研究发现，步骤(1)中，如果采用铒靶替代氧化铒靶，所得薄膜中铒容易分相，对薄膜和后续器件产生不利影响。
[0015]在一优选例中，步骤(1)中，所述真空指真空度不大于5
×
10
‑3Pa。
[0016]步骤(1)中，所述氩气和氧气混合气中氩气与氧气比例主要影响薄膜的成膜质量，这是由于溅射气氛中适宜的氧气含量能有效减少薄膜中的氧缺陷。在一优选例中，所述氩气和氧气混合气中氩气体积占比不小于50％。
[0017]在一优选例中，步骤(1)中，所述加热的衬底温度在50℃以上。
[0018]在一优选例中，步骤(1)中，溅射时，掺氟氧化锡靶功率为10～170瓦，氧化铒靶功率为5～70瓦，溅射腔室的压强为0.1～10Pa。
[0019]步骤(1)中，在衬底上溅射沉积薄膜的时间优选为5～120min。
[0020]在一优选例中，步骤(2)中不采用随炉升降温，而是采用快速升降温。采用随炉升降温会降低薄膜中的载流子浓度以及易形成铒元素团簇，不利于后续电致发光器件性能的充分发挥。采用快速升降温可有效减少甚至避免铒团簇的形成，维持较高的载流子浓度，从而保证后续制作的器件具有低开启电压和发光电压。进一步优选的，步骤(2)中，所述升温的升温速率大于1℃/s，所述冷却的降温速率大于1℃/s。
[0021]溅射生长薄膜后还需进行热处理，促进氟铒共掺氧化锡薄膜的质量优化和铒离子的替位掺杂。一般而言，步骤(2)中，高温热处理的温度越高、停留时间越长，薄膜结晶性越好但电学性能降低越明显；高温热处理的温度越低、停留时间越短，薄膜结晶性越差但电学性能提升越明显，这是由于结晶性提高能够一定程度上钝化缺陷，提高薄膜质量，但过高的结晶性将增强晶界散射效应影响电学输运。因此，可具体根据需要选择合适的高温热处理温度及升降温速度，从而得到所需的结晶性和电学性能，进而获得优异的电致发光强度和器件稳定性。步骤(2)中，所述高温热处理的温度优选为200～1000℃。步骤(2)中，所述高温热处理的停留时间优选为5～120min。
[0022]本专利技术还提供了所述的制备方法制备得到的氟铒共掺氧化锡薄膜，所述氟铒共掺氧化锡薄膜内形成了氟铒共掺氧化锡晶体。
[0023]所述氟铒共掺氧化锡薄膜中，铒元素浓度过低，后续制作的器件发光效果差，铒元素浓度过高，易产生浓度猝灭效应，造成不必要的能量损耗。优选的，所述氟铒共掺氧化锡薄膜中，以铒元素和锡元素的总原子数为100％计，铒元素的原子百分占比为1％～5％。铒元素含量可通过共溅射时靶材的溅射功率调控。
[0024]所述氟铒共掺氧化锡薄膜的厚度优选为20～500nm，薄膜厚度过薄容易击穿，过厚电学性能下降明显，不利于后续制作电致发光器件。薄膜厚度主要和溅射时间相关。
[0025]本专利技术还提供了所述的氟铒共掺氧化锡薄膜在近红外电致发光领域中的应用，例如，用于制备基于电子碰撞离化效应的电致发光器件。
[0026]作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供了一种基于雪崩倍增效应提供热电子的近红外电致发光器件，采用所述的氟铒共本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟铒共掺氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用射频磁控溅射方法对掺氟氧化锡靶和氧化铒靶进行共溅射沉积薄膜；所述掺氟氧化锡靶中氟化亚锡的质量百分占比不大于20％；(2)在氧气或氮气气氛下，将共溅射沉积得到的薄膜升温至200℃以上进行高温热处理，冷却得到所述氟铒共掺氧化锡薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：所述真空指真空度不大于5
×
10
‑3Pa；所述氩气和氧气混合气中氩气体积占比不小于50％；所述加热的衬底温度在50℃以上；溅射时，掺氟氧化锡靶功率为10～170瓦，氧化铒靶功率为5～70瓦，溅射腔室的压强为0.1～10Pa。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：所述升温的升温速率大于1℃/s，所述冷却的降温速率大于1℃/s；所述高温热处理的温度为200～1000℃。4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法制备得到的氟铒共掺氧化锡薄膜，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东升，吴昀峰，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：