矽基稀土摻雜電致發光器件的製作方法
2023-04-25 02:12:36 1
專利名稱：矽基稀土摻雜電致發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種稀土摻雜電致發光器件，特別涉及一種矽基稀土摻雜電致發光器件。
背景技術：
在過去的幾十年中，稀土摻雜發光材料的研究取得重大進展，廣泛應用於各種固態雷射器。隨著社會的發展，對發光材料的要求向薄膜化轉變，這就需要在有限的體積之內容納儘可能多的發光離子。尤其是現在矽基光電子集成的需要，期待在有限的空間內製作微型的雷射器件，這就需要高濃度的稀土離子摻雜以實現高的光學增益以補充由於器件小型化帶來的各種損耗。
為了實現矽基光電集成，在過去的二十年中，人們投入了相當大的精力投入到製備高效的矽基稀土摻雜發光薄膜，並取得了明顯的進展。然而，由於稀土離子內殼層發光的特性，受基質環境的改善有限，要提高這種體系的光學增益以實現小型的半導體矽基雷射器件，只有一條出路-即實現高濃度的具有光學活性和電學活性的稀土摻雜發光體系。對一般的摻雜方法，譬如摻雜到晶態矽基材料中，真正有效激活的稀土離子濃度小於1×1018/cm3。而一般的矽基材料的原子密度在6×1022/cm3量級。假使發光的線寬小於1納米，那能得到的光學增益也可以忽略不計。現在人們更多的關注點在於富矽的二氧化矽體系摻雜稀土離子的研究，同樣帶來的改進有限，最大的可能光學增益小於10cm-1。而現在一般的半導體雷射器所要求的光學增益至少在1000cm-1，因此現有的一般技術路線毫無疑問是沒有前途的。
另外，2004年日本科學家Kimura和Isshiki在美國應用物理快報上(Applied physics letters，Vol 85 Page 4343)報導了利用溶膠凝膠的方法製備出高稀土含量(`20％)的晶態矽基薄膜，並觀察到室溫下強的光致發光和窄的線寬，後來同一個小組也報導了利用外延設備長出了同樣的材料並觀察到類似的發光特性。我們研究組也成功地實現了相關體系的光致發光。然而日本科學家和我們都發現儘管此一體系電輸運特性表現出半導體特性，卻無法實現電注入發光，這對這種高稀土含量的矽基薄膜的將來應用帶來了嚴重的障礙。
發明內容
本發明專利的目的是提供一種矽基稀土摻雜電致發光器件，在矽基材料表面預先生長一層高原子比例(大於5％)的稀土摻雜矽基發光材料。在此基礎上，澱積一層納米尺寸厚度的介質層(1納米到100納米之間)作為電子的加速層。此加速層可實現激發稀土離子所需的高能量的熱電子因而可實現高強度高效率的矽基稀土摻雜電致發光器件。核心的思想就是激發稀土離子發光的熱電子的產生區域與發光器件的有源區分離，避免發光器件有源區因為介質特性決定的弱的熱電子產生能力而導致的弱的電致發光特性。一般而言，熱電子能量高於1eV即可有效的激發稀土離子發光。當然，要實現來自於稀土離子的光學增益，需要更高能量的熱電子。而我們採用的加速層材料的大的帶隙可以保證足夠高能量的熱電子的產生以激發稀土離子。此類器件可應用於矽基光電子集成並應用於高亮度顯示。
本發明一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中包括 一p-型或n-型矽襯底； 一稀土摻雜矽基發光材料，該稀土摻雜矽基發光材料製作在p-型或n-型矽襯底上，該稀土摻雜矽基發光材料是器件的有源區； 一納米尺寸厚度的介質層作為加速層，此加速層製作在稀土摻雜矽基發光材料上； 一上電極，該上電極製作在加速層上； 另兩下電極，該下電極製作在p-型或n-型矽襯底下； 在兩下電極之間有一個出光口。
其中p-型或n-型矽襯底的晶向為(hkl)，h，k，l為整數。
其中p-型或n-型矽襯底為單晶體矽，或為單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金，量子阱，量子線，量子點，或為SOI，即絕緣體上矽-silicon on insulator，或為絕緣體上單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金。
其中稀土摻雜矽基發光材料的稀土離子包括所有16種稀土材料，它們是釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥或它們的組合。
其中稀土摻雜矽基發光材料中稀土離子的摻雜比例在5％和50％之間。
其中稀土摻雜矽基發光材料分子式表示為RESixOyNz，其中R E表示稀土離子，0≤x，y，z≤4。
其中加速層的厚度在1納米到100納米之間。
其中加速層為二氧化矽、富矽的二氧化矽、氮氧矽、氮化矽以及硫化鋅、氧化鋅、碳化矽、氮化鎵。
製備稀土矽基發光材料時可以採用多種方式。最簡便的就是溶膠凝膠的辦法，投資簡單方便。也可以採用物理辦法如外延、濺射等直接在矽片上成膜。加速層最好是用物理辦法澱積。
為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實例及附圖對本發明作一詳細的描述，其中 圖1是在用溶膠凝膠方法製備出稀土離子鉺含量在20％的矽基薄膜基礎上利用等離子體化學氣相澱積薄層二氧化矽作為電子的加速層所實現的電致發光器件的示意圖； 圖2是用溶膠凝膠方法製備出稀土離子鉺含量在20％的矽基薄膜的室溫螢光光譜。激發光源採用氬離子雷射器，光源波長為488納米，激發功率為60毫瓦，斬波器頻率為273赫茲。
具體實施例方式 請參閱圖1所示，本發明一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中包括 一p-型或n-型矽襯底10；該p-型或n-型矽襯底10的晶向為(hkl)，h，k，l為整數；該p-型或n-型矽襯底10為單晶體矽，或為單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金，量子阱，量子線，量子點，或為SOI，即絕緣體上矽-silicon on insulator，或為絕緣體上單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金； 一稀土摻雜矽基發光材料20，該稀土摻雜矽基發光材料20製作在p-型或n-型矽襯底10上，該稀土摻雜矽基發光材料20是器件的有源區；其中稀土摻雜矽基發光材料的稀土離子包括所有16種稀土材料，它們是釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥或它們的組合；其中稀土摻雜矽基發光材料20中稀土離子的摻雜比例在5％和50％之間；其中稀土摻雜矽基發光材料20分子式表示為RESixOyNz，其中RE表示稀土離子，0≤x，y，z≤4； 一納米尺寸厚度的介質層作為加速層30，此加速層30製作在稀土摻雜矽基發光材料20上；其中加速層30的厚度在1納米到100納米之間；其中加速層30為二氧化矽、富矽的二氧化矽、氮氧矽、氮化矽以及硫化鋅、氧化鋅、碳化矽、氮化鎵； 一上電極40，該上電極40製作在加速層30上； 另兩下電極50，該下電極50製作在p-型或n-型矽襯底10下； 在兩下電極50之間有一個出光口60。
請再參閱圖1所示，本發明提供的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其核心是在矽基材料表面預先生長一層高原子比例(大於5％)的稀土摻雜矽基發光材料，在此基礎上，澱積一層納米尺寸厚度的介質層(1納米到100納米之間)作為電子的加速層。此加速層可實現激發稀土離子所需的高能量的熱電子因而可實現高強度高效率的矽基稀土摻雜電致發光器件。此類器件可應用於矽基光電子集成並應用於高亮度顯示。
圖2是用溶膠凝膠方法製備出稀土離子鉺含量在20％的矽基薄膜的室溫螢光光譜。稀土離子源採用純度在四個九以上的六水三氯化鉺，將三氯化鉺溶解在乙醇溶液中，重量比濃度為5％。通過旋塗的辦法沉積在矽片上，旋塗時轉速為每分鐘三千轉，溼度40％，溫度為常溫25度。旋塗之後在120度烘乾，然後在600度下氮氣氣氛下烘烤30分鐘，重複這一步驟多次以形成厚膜，最後依次在900度和1200度氧氣氛圍下分別退夥30分鐘和四分鐘。激發光源採用氬離子雷射器，光源波長為488納米，激發功率為60毫瓦，斬波器頻率為273赫茲。
本發明提出的一種矽基稀土摻雜電致發光器件。核心的思想就是激發稀土離子發光的熱電子的產生區域與發光器件的有源區分離，避免發光器件有源區因為介質特性決定的弱的熱電子產生能力而導致的弱的電致發光特性。一般而言，熱電子能量高於1eV即可有效的激發稀土離子發光。當然，要實現來自於稀土離子的光學增益，需要更高能量的熱電子。而我們採用的加速層材料的大的帶隙可以保證足夠高能量的熱電子的產生以激發稀土離子。這種方法具有工藝簡單、成本低廉、容易實現以及與集成電路工藝兼容等優點，有望在矽基光電集成以及高亮度顯示上得到應用。
權利要求
1.一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中包括
一p-型或n-型矽襯底；
一稀土摻雜矽基發光材料，該稀土摻雜矽基發光材料製作在p-型或n-型矽襯底上，該稀土摻雜矽基發光材料是器件的有源區；
一納米尺寸厚度的介質層作為加速層，此加速層製作在稀土摻雜矽基發光材料上；
一上電極，該上電極製作在加速層上；
另兩下電極，該下電極製作在p-型或n-型矽襯底下；
在兩下電極之間有一個出光口。
2.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中p-型或n-型矽襯底的晶向為(hkl)，h，k，l為整數。
3.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中p-型或n-型矽襯底為單晶體矽，或為單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金，量子阱，量子線，量子點，或為SOI，即絕緣體上矽-silicon on insulator，或為絕緣體上單晶矽、鍺、碳、錫之間的合金。
4.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中稀土摻雜矽基發光材料的稀土離子包括所有16種稀土材料，它們是釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥或它們的組合。
5.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中稀土摻雜矽基發光材料中稀土離子的摻雜比例在5％和50％之間。
6.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中稀土摻雜矽基發光材料分子式表示為RESixOyNz，其中RE表示稀土離子，0≤x，y，z≤4。
7.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中加速層的厚度在1納米到100納米之間。
8.根據權利要求1所述的一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其特徵在於，其中加速層為二氧化矽、富矽的二氧化矽、氮氧矽、氮化矽以及硫化鋅、氧化鋅、碳化矽、氮化鎵。
全文摘要
本發明一種矽基稀土摻雜電致發光器件，其中包括一p-型或n-型矽襯底；一稀土摻雜矽基發光材料，該稀土摻雜矽基發光材料製作在p-型或n-型矽襯底上，該稀土摻雜矽基發光材料是器件的有源區；一納米尺寸厚度的介質層作為加速層，此加速層製作在稀土摻雜矽基發光材料上；一上電極，該上電極製作在加速層上；另兩下電極，該下電極製作在p-型或n-型矽襯底下；在兩下電極之間有一個出光口。
文檔編號H05B33/02GK101170847SQ20061011402
公開日2008年4月30日 申請日期2006年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者張建國, 王曉欣, 成步文, 餘金中, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所