[发明专利]一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及其制备方法和发光方法，属于光电子技术领域。所述的电致发光器件，包括外延硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，所述的发光层为铒和氟共掺杂的ZnO薄膜。本发明的电致发光器件在6～10V的正向偏压(即Au欧姆接触电极接负电压，ITO透明电极层接正电压)下可发光，且电致发光谱中有且仅有位于可见光区和红外光区的铒离子的特征发光峰，无任何ZnO基质相关的发光峰。

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及其制备方法。

背景技术

稀土掺杂氧化物发光材料在平面显示、激光材料和光纤通讯等多领域具有重要应用。由于Er³⁺离子内层4f电子跃迁的发光波长～1.54μm，位于光通讯用石英光纤的最小损耗窗口，因而研究掺Er材料对实现硅基光电集成具有十分重要的意义。一直以来，人们将注意力集中在Er掺杂的氧化硅(A.Irrera,F.Iacona,G.Franzo,M.Miritello,R.L.Savio,M.E.Castagna,S.Coffa,and F.Priolo,J.Appl.Phys.107,054302(2010))、氮化硅(S.Yerci,R.Li,and L.Dal Negro,Appl.Phys.Lett.97,081109(2010))材料体系，但是这两种体系存在一些譬如开启电压极高，电注入困难等较为棘手的问题。另外，基于Er掺杂Ⅲ-Ⅴ族材料的研究也较多，特别是Er掺杂的GaN材料(M.Garter,J.Scofield,R.Birkhahnand A.J.Steckl，Appl.Phys.Lett.74，182(1999)；R.Dahal，C.Ugolini，J.Y.Lin，H.X.Jiang and J.M.Zavada,Appl.Phys.Lett.97,141109(2010))，但是这种材料制备时需要高真空设备，并且在可预见的未来还会面临Ga资源枯竭问题。因此，探寻一种资源丰富、器件开启电压低、高发光效率的新型半导体基质材料具有重要的现实意义。

ZnO作为一种常见的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。并且其导电能力适中，载流子的注入与传输较容易实现，因此较适合做电致器件。同时ZnO还具有抗辐照能力强，晶体生长温度低，制备方法简单多样，易于湿化学腐蚀等优点，已在光电、压电、磁性和气敏等多种材料领域广泛应用。

已有不少研究实现了基于Er掺杂ZnO的光致发光，但基于Er掺杂ZnO硅基电致发光器件的报道极少，特别是基于Er、F共掺杂ZnO/n-Si型电致发光器件还未见诸报道。

杨扬等在p⁺-Si上沉积掺Er的ZnO薄膜，成功制备了ZnO:Er/p⁺-Si异质结器件(YangYang,Yunpeng Li,Luelue Xiang,Xiangyang Ma,and Deren Yang,Applied PhysicsLetters 102,181111(2013))，该器件在10V的正向驱动电压(p⁺-Si接正电压)下发出Er的特征发光峰，但在可见光区检测到ZnO中氧空位相关的发光宽包。这种情况下，ZnO基质相关的发光与Er的发光相互竞争，不利于进一步提高器件中Er的发光效率。杨扬等还尝试在n⁺-Si上沉积ZnMgO/ZnO多层结构，成功制备出了ZnMgO/ZnO/n⁺-Si多层结构器件(Yang Yang,Yunpeng Li,Canxing Wang,Chen Zhu,Chunyan Lv,Xiangyang Ma,and Deren Yang,Adv.Optical Mater.2,240(2014))，该器件电致发光谱中只发现Er相关的发光峰，但是器件结构较为复杂，且热处理条件较为严苛。因此，亟需一种更为简单便捷实现纯Er发光的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、方便操作的能够实现纯Er发光的电致发光器件。