紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件及製備方法
2024-02-21 07:38:15 1
專利名稱：紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種電抽運隨機激射器件，具體為一種基於矽襯底上Si02/ai0/cd0/ SiO2雙勢壘結構的紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件及製備方法。
背景技術：
由於光電技術的發展，對紫外、可見區雷射器件以及其他短波長光電器件的需求， 使得SiO的隨機雷射研究受到了越來越多的關注。作為ZnO體系中的重要一員，CdZnO薄膜通過調節Cd的含量，可以有效地將CdZnO薄膜的發光波長調節至可見光區。(J. A. Van Vechten and Τ. K. Bergstresser, Phys. Rev. B. 1,3351 (1970))。如果能夠利用 CdZnO 薄膜實現在可見區的隨機激射發光，無疑具有積極的現實意義。2006年，H. D. Li等人首次報導了紫外、可見並存的ZnO薄膜的光抽運隨機激射 (H. D. Li, S. F. Yu, S. P. Lau，and Ε. S. Leong, App 1. Phys. Lett. 89,021110 (2006)) 然而對於ZnO薄膜以及CdZnO薄膜在可見區的電抽運隨機激射，目前還沒有報導。其主要瓶頸在於一方面CdO在CdO-ZnO合金系統中的固溶度很低(在熱平衡狀態下大約只有2mol% )， 所以很難利用簡單的設備製備出高Cd含量的CdZnO薄膜。另一方面Cd較低的熔沸點又使得製備基於高Cd濃度摻雜的CdZnO薄膜電致發光器件變得十分困難。2007年馬向陽等人利用金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構，成功實現了 ZnO薄膜的電抽運隨機激身寸(Xiangyang Ma, Peiliang Chen, DongshengLi, Yuanyuan Zhang, and Deren Yang, App 1. Phys. Lett. 90, 231106 (2007)) 最近又通過改變 Mgx^vxO 薄膜的組分， 利用此MIS結構實現了雷射波長在紫外區的連續可調(Ye Tian, Xiangyang Ma, Peiliang Chen, Yuanyuan Zhang, Deren Yang, Opt. Express. 18,10668(2010))。如何能在此研究基礎上，實現CdZnO薄膜在可見區的電抽運隨機激射發光，是亟需解決的一個難題。
發明內容
本發明提供了一種紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件，實現了 CdZnO薄膜在可見區的電抽運隨機激射發光。一種紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件，包括襯底，襯底正面自下而上依次沉積有第一 SiA薄膜、CdO薄膜、ZnO薄膜、第二 SiA薄膜和Au電極，襯底背面沉積歐姆接觸電極。所述的襯底為電阻率為0. 005 50歐姆·釐米的N型矽片。CdO薄膜的厚度大於ZnO薄膜的厚度，有利於出光。本發明還提供了上述電抽運隨機激射器件的製備方法，包括(1)採用溶膠-凝膠法在襯底上沉積第一 SW2薄膜；(2)採用濺射法在第一 SiA薄膜上沉積CdO薄膜；(3)採用濺射法在CdO薄膜上沉積ZnO薄膜，加熱處理；(4)採用溶膠-凝膠法在ZnO薄膜沉積第二 SW2薄膜；
(5)採用濺射法在第二 SW2薄膜上沉積半透明Au電極，在襯底背面沉積歐姆接觸電極。優選的，步驟⑵和步驟(4)中沉積SW2薄膜後進行加熱處理，加熱溫度400 500°C，加熱時間1 2小時，可以去除薄膜中的有機物，有助於成膜。步驟(3)中沉積ZnO薄膜後進行加熱處理，可以使Cd、ai產生足夠的互擴散，並且採用較高的熱處理溫度可以使薄膜發光變強，但溫度不能過高，因為Cd在高溫很容易揮發和分相，加熱溫度優選600 800°C，加熱時間1 5小時。本發明器件在襯底上形成了 Si02/Zn0/Cd0/SiA雙勢壘結構，由於鎘、鋅的互擴散，ZnO/CdO兩薄膜層構成了 Cd濃度漸變的CdxSvxO薄膜發光層，在一定的正向偏壓下(襯底接負電壓)，CdZnO薄膜能夠發出位於紫外、可見區的電抽運隨機激射。而且器件的結構和實現方式簡單，製備工藝及所用的設備與現行成熟的矽器件工藝兼容。
圖1為本發明器件的結構示意圖；圖2是本發明實施例1的SiO/CdO/SiA薄膜經過高溫熱處理後的二次離子質譜 (SIMS)；圖3是本發明實施例1的電致發光器件在不同正向電流下獲得的電致發光(EL) 譜；圖4是本發明實施例2的電致發光器件在不同正向電流下獲得的電致發光(EL)
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具體實施例方式如圖1，一種電致電抽運隨機激射器件，包括襯底1，襯底1正面自下而上依次沉積有SiA薄膜2、Cd0薄膜3、Zn0薄膜4、SW2薄膜5、和半透明Au電極6，襯底1背面沉積有歐姆接觸電極7。襯底選用矽片，電阻率一般為0. 005 50歐姆·釐米。實施例1和實施例2製備了上述結構的器件，具體如下實施例11)清洗N型，電阻率為0.005歐姆 釐米、大小為15X 15mm2、厚度為675微米的矽片；2)利用正矽酸乙酯，酒精，稀鹽酸按一定比例製備SW2溶膠。在矽片上旋塗一層 SiO2薄膜，100°C烘乾10分鐘，在A氣氛下500°C熱處理2小時；3)利用射頻濺射在SW2薄膜上沉積CdO薄膜，襯底溫度為300°C ；濺射功率為120W，Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓4Pa，濺射1小時，厚度約 400nmo4)利用射頻濺射在CdO薄膜上沉積ZnO薄膜，襯底溫度為150°C，濺射功率為 100W, Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓3Pa。濺射10分鐘，厚度約40nm ；沉積後在仏氣氛下750°C熱處理1小時；5)在ZnO薄膜上旋塗一層SW2薄膜，100°C烘乾10分鐘，在空氣下500°C熱處理2 小時；
6)在SW2膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，而在矽襯底背面上濺射約IOOnm 厚的Au電極(歐姆接觸電極7)。濺射功率為45W，Ar流量為20，氣壓5Pa，襯底溫度為 150°C。正面電極濺射30秒，背面電極濺射3分鐘。圖2給出了通過上述方法製備的SiO/CdO/SiA薄膜的二次離子質譜(SIMS)。從圖中可以看到Cd、ai兩種元素經過高溫熱處理後形成了互擴散。從頂層表面開始隨著深度的增加，Zn的含量逐漸減少，而Cd的含量逐漸增多，這也證明了在aiO/CdO兩薄膜層構成了 Cd濃度漸變的CcUrvxO薄膜發光層。圖3給出了通過上述方法獲得的器件在室溫下測得的不同注入電流下的電致發光(EL)譜，此時頂層SiO2薄膜上的Au電極接正，Si襯底背面的Au電極接負。從圖中可以看到，器件在紫外區域，紅光區域均出現了尖銳的發光峰，並且隨著注入電流的增大，電致發光的強度也隨之增大。這說明器件在紫外、可見區同時產生了隨機激射。實施例21)清洗N型，電阻率為0. 005歐姆 釐米、大小為1515mm2、厚度為675微米的矽片；2)利用正矽酸乙酯，酒精，稀鹽酸按一定比例製備Si02溶膠。在矽片上旋塗一層 SiO2薄膜，100°C烘乾10分鐘，在A氣氛下500°C熱處理2小時；3)利用射頻濺射在SiO2薄膜上沉積CdO薄膜，襯底溫度為300°C ；濺射功率為 120W, Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓4Pa。濺射1小時，厚度約400nm ；4)利用射頻濺射在CdO薄膜上沉積ZnO薄膜，襯底溫度為150°C，濺射功率為 100W, Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓3Pa。濺射10分鐘，厚度約lOOnm。在仏氣氛下 750°C熱處理1小時;5)在ZnO薄膜上旋塗一層SW2薄膜，100°C烘乾10分鐘，在空氣下500°C熱處理2 小時；6)在SW2膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，而在矽襯底背面上濺射約IOOnm 厚的Au電極(歐姆接觸電極7)。濺射功率為45W，Ar流量為20，氣壓5Pa，襯底溫度為 150°C。正面電極濺射30秒，背面電極濺射3分鐘。圖4給出了通過上述方法獲得的器件在室溫下測得的不同注入電流下的電致發光(EL)譜，此時頂層SiO2薄膜上的Au電極接正，Si襯底背面的Au電極接負。從圖中可以看到，器件在紫外區域，紅光區域均出現了尖銳的發光峰，並且隨著注入電流的增大，電致發光的強度也隨之增大。這說明器件在紫外、可見區同時產生了隨機激射。
權利要求
1.一種電抽運隨機激射器件，包括襯底，其特徵在於，所述襯底正面自下而上依次沉積有第一 SiA薄膜、CdO薄膜、ZnO薄膜、第二 SiA薄膜和Au電極，襯底背面沉積有歐姆接觸電極。
2.根據權利要求1所述的電抽運隨機激射器件，其特徵在於，所述的襯底為電阻率為 0. 005 50歐姆·釐米的N型矽片。
3.根據權利要求1所述的電抽運隨機激射器件，其特徵在於，所述CdO薄膜的厚度大於 ZnO薄膜的厚度。
4.一種電抽運隨機激射器件的製備方法，包括(1)採用溶膠-凝膠法在襯底上沉積第一S^2薄膜；(2)採用濺射法在第一SW2薄膜上沉積CdO薄膜；(3)採用濺射法在CdO薄膜上沉積ZnO薄膜，加熱處理；(4)採用溶膠-凝膠法在ZnO薄膜沉積第二S^2薄膜；(5)採用濺射法在第二SW2薄膜上沉積半透明Au電極，在襯底背面沉積歐姆接觸電極。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，步驟( 和步驟中沉積SiO2薄膜後進行加熱處理，加熱溫度400 500°C，加熱時間1 2小時。
6.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中加熱處理溫度為600 800°C，時間為1 5小時。
全文摘要
本發明公開了一種紫外及可見並存的電抽運隨機激射器件及製備方法，該器件包括襯底，襯底正面自下而上依次沉積有第一SiO2薄膜、CdO薄膜、ZnO薄膜、第二SiO2薄膜和Au電極，襯底背面沉積歐姆接觸電極。本發明器件在襯底上形成了SiO2/ZnO/CdO/SiO2雙勢壘結構，由於鎘、鋅的互擴散，ZnO/CdO兩薄膜層構成了Cd濃度漸變的CdxZn1-xO薄膜發光層，在一定的正向偏壓下(襯底接負電壓)，CdZnO薄膜能夠發出位於紫外、可見區的電抽運隨機激射。而且器件的結構和實現方式簡單，製備工藝及所用的設備與現行成熟的矽器件工藝兼容。
文檔編號H01S5/30GK102290707SQ20111019458
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者楊德仁, 田野, 馬向陽 申請人:浙江大學