[发明专利]一种硅基铒掺杂镓酸锌薄膜电致发光器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基铒掺杂ZnGasubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;薄膜电致发光器件及其制备方法，属于硅基光电子技术领域。所述电致发光器件，包括硅衬底，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，所述硅衬底表面具有氧化硅层，所述发光层为铒掺杂的ZnGasubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;薄膜。本发明在带有～10nm SiOsubgt;x/subgt;层的nsupgt;+/supgt;型硅片表面沉积铒掺杂的ZnGasubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;薄膜，进而制备的电致发光器件仅发出Ersupgt;3+/supgt;离子在可见光和近红外光区的特征发光峰。本发明提出的掺铒薄膜发光器件的电致发光强度较强，制备方式简单便捷易操作，而且器件制备所用工艺与现行硅基CMOS工艺完全兼容。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种新型硅基铒掺杂ZnGa₂O₄薄膜电致发光器件及其制备方法。

背景技术

众所周知，CMOS工艺在摩尔定律的指导下，通过尺寸微缩一步步提高单位晶圆面积上晶体管的数量，但基于电互连技术的晶体管内部、各晶体管之间面临的问题越来越多，如串扰、量子效应瓶颈等，这些问题已经成为微电子技术进一步发展的瓶颈。

上世纪九十年代，基于相互间串扰极低的光子的光互连技术应运而生。经过几十年的发展，硅基光互连所需的产品如硅基光波导，硅基光探测器，硅基光调制解调器等都已成熟，唯独缺少合适的硅基光源。稀土铒离子(Er³⁺)其第一激发态(⁴I_13/2)到基态(⁴I_15/2)的辐射跃迁(～0.803eV，～1540nm)恰好落于硅波导--石英光纤的最小损耗窗口。

对于意欲结合CMOS工艺的大尺寸硅晶圆的片上集成，需实现Er³⁺的电致发光。近年来，对Er³⁺掺杂的宽禁带半导体材料的电致发光如Er³⁺掺杂的ZnO，TiO₂，GaN的电致发光研究较为热门。如杨扬等在p⁺-Si上沉积掺Er³⁺的ZnO薄膜，成功制备了ZnO:Er/p⁺-Si异质结器件(Yang Yang，Yunpeng Li，Luelue Xiang，Xiangyang Ma，and Deren Yang，AppliedPhysics Letters102，181111(2013))，该器件在＜10V的正向驱动电压下发出Er的特征发光峰。专利文献CN 104735833A公开了一种基于Er掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件，该器件具有SiO₂-TiO₂:Er双层结构，电子在SiO₂薄膜的电场中加速形成热载流子，可以在较低的正向偏压下激发出Er³⁺的特征发光峰。

但是ZnO和TiO₂中Er³⁺离子的固溶度天然较低。GaN材料目前主要用于制备照明领域的紫外蓝光LED，GaN中掺Er无任何优势。

因此，不少研究者一直致力于探寻新型高效Er电致发光的基质材料。笔者系统探究了镓酸锌材料的基本性质，镓酸锌也是一种宽禁带半导体材料，有望成为一种新型高效Er电致发光的基质材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型硅基铒掺杂薄膜电致发光器件，推动实现Er的高效电致发光。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：