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《北京交通大学》 2017年
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硅基稀土氧化物半导体Eu_2O_3电致发光性能研究

殷雪  
【摘要】:稀土氧化物半导体作为一类特殊的半导体材料,具有以ZnO、GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料无法比拟的优势。稀土氧化物半导体的能带模型除包含导带、价带外,还包含特殊的极窄的4f能带。4f能带的相对位置对于稀土氧化物半导体中电荷载流子的起源具有重要的影响。电子能够从价带激发到4fn+1能带或者从4fn能带激发到导带中,从而产生f-f跃迁,而非一个宽的带间跃迁。因此,基于稀土氧化物薄膜的电致发光器件不仅可以具备稀土离子谱线丰富、色纯度高以及发光效率高等优点,并解决了稀土离子在基质材料中固溶度低的问题,还因其半导体特性,可以获得较低的工作电压。更重要的是,对于Eu2O3材料,它的晶格常数为10.86A,与硅(晶格常数:5.43A)的晶格失配度几乎为零,使得硅基Eu203薄膜电致发光器件可以与目前日益成熟的硅基CMOS工艺完美兼容。本论文利用磁控溅射技术在硅衬底上沉积了 Eu203薄膜,制备了硅基电致发光器件,得到了 Eu3+离子的特征红色电致发光,不仅改善了硅基红光LED普遍发光效率低的问题,同时极大地拓展了稀土氧化物材料的应用领域,为硅基发光器件的研究提供了崭新的思路和途径。本研究工作得到的主要成果如下:(1)Eu203/P+-Si电致发光器件的制备,通过施加正向电压得到了 Eu3+离子的红色电致发光:利用磁控溅射法在P+-Si衬底上沉积了 Eu203薄膜,对不同退火条件得到的薄膜进行了 XRD表征和PL光谱测试,并计算其相应的光学带隙。同时制备了 Eu203/P+-Si电致发光器件,获得了 Eu3+离子的红色电致发光,对器件的发光机理进行了研究,并从薄膜厚度、退火温度、退火气流量等方面对器件的发光性能作了初步的改善。(2)双层结构Eu2O3/Tb2O3电致发光器件的制备,通过引入一层Tb2O3薄膜作为空穴注入层,使器件的发光强度和开启电压都得到了改善:利用磁控溅射法在P+-Si衬底上首先沉积了一层Tb203薄膜,随后在其上表面沉积Eu203薄膜,制备出双层结构的Eu203/Tb203/P+-Si电致发光器件。引入一层Tb203薄膜作为空穴注入层,制备得到的电致器件可以获得较强的Eu3+离子的红色电致发光,对器件的发光机理进行了研究,分析了 Tb203层对器件发光性能的影响,最后从Tb203薄膜厚度、退火温度、退火气流量等方面对器件的发光性能进行了更进一步的优化。(3)共溅射法Eu203:Tb3+电致发光器件的制备,器件在施加正向和反向电压下均能得到Eu3+离子的红色电致发光:采用Eu2O3靶材和金属Tb靶共溅射在P+-Si衬底上沉积了 Eu203:Tb3+薄膜,制备出Eu2O3:Tb3+/P+-Si电致发光器件。通过对器件分别施加正向和反向电压,测试不同电压方向的器件电致发光性能,并对器件的发光机理分别进行了研究,分析了通过共溅射掺杂进Eu2O3薄膜中的Tb3+离子对Eu3+离子红色电致发光起到的作用,最后通过调整衬底类型和电阻率提高相应器件的发光性能。(4)共溅射法Eu2O3:Tb3+电致发光器件性能的优化:首先研究了不同浓度的W6+,In3+和Ca2+金属离子掺杂对器件性能的影响。其次在Eu2O3:Tb3+器件中分别引入了一层NiO,Y2O3和Ga2O3薄膜制备了双层结构的电致发光器件,通过调整引入的薄膜厚度研究其与器件发光性能的关系,并对器件的发光机理和导电机制分别进行分析。接着研究了退火气氛、退火温度以及退火时间对Ga2O3/Eu2O3:Tb3+/N+-Si电致器件性能的影响。值得注意的是,退火时间为1min的器件在3V左右可以获得较强烈的红色发光。最后分析了发光层厚度以及Tb3+离子掺杂浓度与Ga2O3/Eu2O3:Tb3+/N+-Si电致器件性能之间的关系,并得到了红绿颜色可调的电致器件。
【关键词】:稀土氧化物半导体 硅基电致发光 Eu_2O_3 Tb_2O_3 薄膜
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN383.1
【目录】:
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-15
  • 1 引言15-19
  • 1.1 研究背景及研究意义15-16
  • 1.2 论文的主要工作及创新点16
  • 1.3 论文的组成及内容提要16-19
  • 2 文献综述19-29
  • 2.1 半导体材料19-22
  • 2.1.1 半导体材料的发展历史19-21
  • 2.1.2 半导体材料的分类21-22
  • 2.2 硅衬底GaN基LED的研究22-24
  • 2.2.1 硅衬底GaN基LED的研究进展及主要成果22-23
  • 2.2.2 硅衬底GaN基LED的局限性23-24
  • 2.3 稀土氧化物半导体Eu_2O_324-29
  • 2.3.1 稀土氧化物材料特性24-25
  • 2.3.2 稀土离子Eu~(3+)的发光特性及其Eu~(3+)掺杂的发光体系研究进展25-26
  • 2.3.3 Eu_2O_3发光研究进展26-27
  • 2.3.4 Eu_2O_3能带结构27-29
  • 3 样品的制备方法及表征手段29-37
  • 3.1 样品的制备设备29-31
  • 3.1.1 磁控溅射设备29-30
  • 3.1.2 热处理设备30-31
  • 3.2 样品的制备31-33
  • 3.2.1 衬底的清洗32
  • 3.2.2 薄膜制备32
  • 3.2.3 电极制备32-33
  • 3.3 样品的表征及性能分析33-37
  • 3.3.1 样品的膜厚测量33
  • 3.3.2 样品的物相分析33-34
  • 3.3.3 样品的吸收特性分析34
  • 3.3.4 样品的光电子能谱分析34-35
  • 3.3.5 样品的光致发光光谱分析35
  • 3.3.6 样品的电致发光测试分析35-36
  • 3.3.7 色坐标CIE指数36-37
  • 4 Eu_2O_3薄膜的制备及发光特性的研究37-57
  • 4.1 引言37
  • 4.2 薄膜沉积法制备Eu20337-40
  • 4.2.1 Eu_2O_3薄膜的制备37-38
  • 4.2.2 Eu_2O_3薄膜的表征38-40
  • 4.3 Eu_2O_3薄膜光致发光特性的研究40-44
  • 4.3.1 薄膜厚度对光致发光性能的影响40-41
  • 4.3.2 退火气氛对光致发光性能的影响41-42
  • 4.3.3 退火温度对光致发光性能的影响42-44
  • 4.4 硅基Eu_2O_3电致发光器件的制备及性能研究44-49
  • 4.4.1 Eu_2O_3电致发光器件的制备44
  • 4.4.2 Eu_2O_3电致发光器件的表征44-48
  • 4.4.3 Eu_2O_3电致发光机理的研究48-49
  • 4.5 硅基Eu_2O_3电致发光器件性能的改善49-54
  • 4.5.1 薄膜厚度对器件性能的影响49-51
  • 4.5.2 退火温度对器件性能的影响51-52
  • 4.5.3 退火气流量对器件电致发光的影响52-54
  • 4.6 本章小结54-57
  • 5 双层结构Eu_2O_3/Tb_2O_3电致发光器件的制备及机理研究57-69
  • 5.1 引言57
  • 5.2 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致发光器件的制备57-58
  • 5.3 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致发光器件的表征58-59
  • 5.4 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致发光器件的机理研究59-63
  • 5.4.1 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致器件与单层Eu_2O_3器件的比较59-62
  • 5.4.2 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致器件的发光机理62-63
  • 5.5 Eu_2O_3/Tb_2O_3电致器件性能的改善63-68
  • 5.5.1 Tb_2O_3薄膜厚度对器件性能的影响63-65
  • 5.5.2 退火温度对器件性能的影响65-66
  • 5.5.3 退火气流量对器件性能的影响66-68
  • 5.6 本章小结68-69
  • 6 共溅射法Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的制备及发光机理研究69-81
  • 6.1 引言69-70
  • 6.2 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的制备及研究70-71
  • 6.2.1 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的制备70-71
  • 6.2.2 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的表征71
  • 6.3 施加正压下Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的研究71-75
  • 6.3.1 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致器件的发光和电学性能72-74
  • 6.3.2 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致器件的发光机理74
  • 6.3.3 衬底类型对器件性能的影响74-75
  • 6.4 施加反压下Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的研究75-79
  • 6.4.1 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致器件的发光和电学性能75-77
  • 6.4.2 Eu_2O_3:Tb~(3+)电致器件的发光机理77-78
  • 6.4.3 衬底类型对器件性能的影响78-79
  • 6.5 本章小结79-81
  • 7 共溅射法Eu_2O_3:Tb~(3+)电致发光器件的优化81-111
  • 7.1 不同价态的金属离子掺杂对器件性能的影响81-89
  • 7.1.1 掺杂W~(6+)离子对器件性能的影响82-85
  • 7.1.2 掺杂In~(3+)离子对器件性能的影响85-87
  • 7.1.3 掺杂Ca~(2+)离子对器件性能的影响87-89
  • 7.2 器件结构对电致发光的影响89-97
  • 7.2.1 增加NiO层对器件性能的影响90-92
  • 7.2.2 增加Y_2O_3层对器件性能的影响92-94
  • 7.2.3 增加Ga_2O_3层对器件性能的影响94-97
  • 7.3 退火条件对电致器件性能的改善97-103
  • 7.3.1 退火气氛对器件性能的影响97-99
  • 7.3.2 退火温度对器件性能的影响99-100
  • 7.3.3 退火时间对器件性能的影响100-103
  • 7.4 Eu~(3+)及Tb~(3+)浓度对电致发光的影响103-109
  • 7.4.1 发光层薄膜厚度对器件性能的影响103-105
  • 7.4.2 Tb~(3+)离子掺杂浓度对器件性能的影响105-109
  • 7.5 本章小结109-111
  • 8 结论及展望111-115
  • 参考文献115-125
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果125-129
  • 学位论文数据集129

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