共掺杂对硅基掺铒二氧化钛薄膜发光器件的电致发光的增强效应

作     者：朱伟君 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马向阳;杨德仁

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：电致发光 硅基发光器件 掺铒 TiO2薄膜 共掺 

摘      要：基于掺铒(Er)的半导体发光器件在过去的近二十年间一直备受瞩目。宽禁带氧化物n型半导体材料TiO2已在相关报道中被证实能够作为Er发光合适的基体。近年来,我们课题组实现了 ITO/TiO2:Er/SiO2/n+-Si多层结构和TO2:Er/p+-Si异质结结构LED的电致发光(EL),其中TiO2:Er代表的是共掺Er的TiO2薄膜。然而,其中与Er相关的电致发光强度还有待进一步增强。本论文通过在TiO2基体中共掺特定杂质的策略,增强硅基TiO2:Er薄膜发光器件的Er电致发光。本论文取得的主要结果如下:(1).利用射频溅射法在p+-Si衬底和经过1100℃热氧化5min的n+-Si衬底上分别沉积共掺Zr的TiO2:Er[TiO2:(Zr,Er)]薄膜,Zr的名义含量为2.5-7.5%。在p+-Si衬底上沉积的薄膜在O2气氛下650℃热处理2h,而在氧化的n+-Si衬底上沉积的薄膜在O2气氛800℃热处理1h。在此基础上,分别制备出TiO2:(Zr,Er)/p+-Si异质结和ITO/TiO2:(Zr,Er)/SiO2/n+-Si多层结构的器件。为了对比,还分别制备出TiO2:Er//p+-Si异质结和ITO/TiO2:Er/SiO2/n+-Si多层结构的器件。研究表明:Zr的掺入不会改变TiO2:Er薄膜的锐钛矿晶相。上述两种结构下,基于共掺5at%Zr的TiO2:(Zr,Er)薄膜的器件比基于TiO2:Er薄膜的器件具有明显更强的可见及近红外区域(～1540nm波段)的电致发光。分析表明:具有较大离子半径的Zr4+离子对TiO2晶格中Ii离子的替代会扭曲Er3+离子周围的晶体场,使其对称性进一步降低,增大了 Er3+离子的4f能级间的跃迁几率,从而增强了 Er相关的发光。(2).利用射频溅射法在p+-Si衬底和经过1100℃热氧化5min的n+-Si衬底上分别沉积共掺Hf的TiO2:Er[TiO2:(Hf,Er)]薄膜,前者在O2气氛下65O℃C热处理2h,后者在02气氛下80O℃热处理1h,分别制备出TiO2:(Hf,Er)/p+-Si异质结和ITO/TiO2:(Hf,Er)/SiO2/n+-Si多层结构的器件。研究表明:与基于TiO2:Er薄膜的器件相比,在相同注入电流下,基于TiO2:(Hf,Er)薄膜的器件在可见及波长为～1540nm的近红外区的电致发光强度均得到明显提高。相关的增强发光机制与上述共掺Zr的相似。(3).利用射频溅射法,以1100℃C下热氧化5min的n+-Si为衬底,沉积共掺Yb的TiO2:Er[TiO2:(Yb,Er)]薄膜于衬底上,然后在O2气氛下800℃热处理1h,制备出ITO/TiO2:(Yb,Er)/SiO2/n+-Si多层结构的器件。与基于TiO2:Er薄膜的器件相比,基于TiO2:(Yb,Er)薄膜的器件在可见及近红外区域的电致发光强度均得到显著的提高。研究表明:共掺Yb使TiO2:Er薄膜由锐钛矿相转变成为金红石相。分析指出:Er3+离子处在金红石相TiO2基体中时,其附近的晶体场对称性比处在锐钛相TiO2基体中时低。此外,具有较大半径的Yb3+离子对TiO2晶格中Ti离子的替代会进一步扭曲Er3+离子周围的晶体场。上述两方面的因素增大了 Er3+离子4f能级间的跃迁几率,从而增强了 Er相关的发光。