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稀土氟化物复合薄膜光电性能的研究

稀土氟化物复合薄膜光电性能的研究

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作者：何玉征上海理工大学

学位级别：硕士

近年来,照明用电量已达到全球用电量的1/5左右,已成为一个巨大的能源消耗领域。因此,探索高亮度、稳定的光源是一个意义重大的课题。众所周知,蓝色电致发光器件在白光照明和全色显示中起着至关重要的作用。在蓝宝石衬底上生长的Ga N基... 详细信息

近年来,照明用电量已达到全球用电量的1/5左右,已成为一个巨大的能源消耗领域。因此,探索高亮度、稳定的光源是一个意义重大的课题。众所周知,蓝色电致发光器件在白光照明和全色显示中起着至关重要的作用。在蓝宝石衬底上生长的Ga N基蓝光发射材料已广泛应用于光电市场,但Ga N材料制备成本昂贵,工艺繁琐,且高亮度的Ga N材料的蓝光芯片的核心技术主要掌握在欧美和日本几个少数国家手里,更重要的是这些器件结构的发射波长通常受温度等外界环境的影响。因此,我们亟需探索和开发其他类型高亮度、稳定蓝色电致发光器件。由于金刚石具有优良的物理和化学性能,如高硬度、高击穿电压、高导热系数、高载流子迁移率、耐腐蚀等。它已成为在高压、高温、高频等极端条件下工作的半导体器件的理想材料。以至于金刚石在某些特殊且重要的领域成为唯一的选择。目前,金刚石材料在二极管和开关器件,甚至无机薄膜EL器件等光电器件中的应用已成为研究热点。因此,金刚石基电致发光器件为其稳定性提供了充分的保障。稀土离子材料因其具有从紫外到红外的发射光谱,可作为潜在的固态发光材料和闪烁体而受到集成光电技术研究者的广泛关注。众所周知,Ce离子中存在一个快速的5d→4f电偶极子。由于Ce离子的5d能级分裂受主体材料晶体场的影响,5d→4f电子能级跃迁诱导的光发射可以从可见区延伸到紫外区。对金刚石膜电致发光的研究表明,Ce离子在金刚石晶体场的影响下发出蓝光。因此,提高稀土Ce离子的蓝光发射是研制实用的高亮度蓝光发射装置的一种可行解决方案。tmf是一种发光效率高的稀土材料。基于P-H和D-F的Tm跃迁使得制备基于Tm F的高亮度蓝光发光器件成为可能。目前,基于Tm离子掺杂的纳米粒子、荧光粉、玻璃陶瓷和宽带隙半导体的蓝色发光得到了广泛的研究。由于Tm离子的红色发射峰的存在,使得Tm的蓝色发射强度受到限制,使得Tm在半导体基体中的蓝色发射强度一直很低。本文制备的金刚石/Tm F/LiF/Tm F复合薄膜（DTLTCF）电致发光器件实现了高强度蓝光发射。DTLTCF器件完全抑制了Tm红色区域的能级转变。本课题为研制实用的高亮度蓝光发射器件提供了另一种可行的解决方案。LiF作为一种独特的材料,在所有材料中具有最大的带隙（13.6e V）。许多研究者在有机发光二极管的阳极或阴极附近插入LiF薄膜,显著提高了载流子的注入,提高了器件性能。此外,LiF膜还可以作为绝缘层,加速稀土离子发光的载流子激发。同时,有许多关于Li离子增强稀土Ce、Tm离子的发光性能的报道,这使得通过LiF薄膜增强Ce、Tm离子的发光性能成为可能。本课题以金刚石薄膜/稀土氟化物薄膜为主体,LiF薄膜作为为增强发光性能的角色进行不同器件结构的尝试。利用微波等离子体化学气相沉积系统（MPCVD）和真空电子束蒸发沉积系统（EBVD）主要制备了n-si/金刚石/Ce F复合膜（DCCF）和n-si/金刚石/Ce F/LiF复合膜（DCLCF）的电致发光器件,以及p-si/金刚石/Tm F复合膜（DTCF）和p-si/金刚石/Tm F/LiF/Tm F复合膜（DTLTCF）的电致发光器件。用场发射扫描电镜（FE-SEM）、能谱（EDS）、x射线衍射（XRD）、x射线光电子能谱（XPS）和紫外可见光栅光谱（UV-visible grating spectroscopy）对器件各膜层进行了表面形貌,微观结构和成分进行检测,并对器件的发光特性进行了测试。具体研究内容如下:1、采用MPCVD和EBVD系统在n型重掺杂硅衬底上制备了金刚石/Ce F复合膜（DCCF）和金刚石/Ce F/LiF复合膜（DCLCF）电致发光器件。一系列相应的测试表征了器件的成分、微观结构和电致发光特性。实验结果表明,LiF层能有效提高复合膜器件的蓝光发射强度。当施加正向偏压时,两种器件均可观察到蓝光发射,且两种器件的电致发光光谱在440nm处均有一个较强的宽峰。同时,两者的最大发光强度无显著差异。然而,当对两个器件施加反向偏置电压时,发现DCCF器件几乎观察不到可见光发射,而DCLCF器件的蓝光发射非常强烈。DCLCF器件的电致发光谱在440nm处仍有一个较强的宽峰,在350V反向偏置电压时蓝光发射达到最大值。其最大发光强度是DCCF器件最大亮度的3.5倍,亮度可达35cd/m。2、采用MPCVD和EBVD系统在高掺杂p型硅衬底上制备了金刚石/Tm F复合膜（DTCF）和金刚石/Tm F/LiF/Tm F复合膜（DTLTCF）电致发光器件。对器件中的每一层薄膜进行表面形貌和成分的检测,对两种器件的发光性能进行了测试,结果表明,DTCF器件的电致发光谱主要在416nm、456nm（蓝光区）和676nm（红光区）处出现了三个峰,而DTLTCF器件的电致发光谱仅在

关键词：蓝色电致发光金刚石薄膜 CeF3薄膜 tmf3薄膜 LiF薄膜

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