CN101894893B - 基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件,包括衬底以及从下至上依次覆于衬底上的发光层和势垒层,所述的发光层为Mg0.15Zn0.85O薄膜,所述的势垒层为MgXZn1-XO薄膜,其中X为0.2~0.9。本发明还公开一种上述电致发光器件的制备方法,包括依次在衬底上沉积Mg0.15Zn0.85O薄膜、MgXZn1-XO薄膜以及电极。本发明电致发光器件Mg0.15Zn0.85O薄膜会发光,可以通过改变MgxZn1-xO薄膜中的Mg含量调节发出激光的波长。而且制备工艺简单、易于实现,所用的设备与现行成熟的硅器件工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种电致发光器件制备领域,特别涉及一种基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件及其制备方法。
背景技术
目前,由于光电技术的发展,对紫外对紫外激光、高密度存储以及其他短波长光电器件的需求,使得波长可调的宽禁带半导体受到了越来越多的关注。
其中,MgZnO薄膜通过调节Mg的含量,在保持纤锌矿结构的情况下禁带宽度在3.37~4.28eV内可调节(A.Ohtomo,M.Kawasaki,T.Koida,K.Masubuchi,H.Koinuma,Y.Sakurai,Y.Yoshida,T.Yasuda,and Y.Segawa,Appl.Phys.Lett.72,2466-2648(1998))。又由于MgZnO薄膜具有较高的折射率和较强的光增益,是制备波长可调的紫外随机激光的优良材料(H.Y.Yang,S.F.Yu,S.P.Lau,J.Cryst.Growth.312,16-18(2009))。在MgxZn1-xO薄膜的光抽运随机激光方面,目前已经有所报道(H.Y.Yang,S.P.Lau,S.F.Yu,M.Tanemura,T.Okita,H.Hatano,K.S.Teng and S.P.Wilks,Appl.Phys.Lett.89,081107(2006))。利用溶胶-凝胶法制备硅基MgxZn1-XO薄膜金属-绝缘层(SiO2)-半导体(MIS)器件,在正向偏压下得到了电抽运紫外随机激光。通过改变MgxZn1-XO薄膜的组分,实现了激光波长可调(YeTian,Xiangyang Ma,Peiliang Chen,Yuanyuan Zhang,Deren Yang,Opt.Express.18,10668(2010))。
中国专利200610155670.6公开了一种硅基MgXZn1-XO紫外电致发光器件及其制备方法。该器件在硅衬底的正面自下而上依次沉积MgXZn1-XO薄膜层,0.1<X<0.3、SiO2或Al2O3薄膜层和电极,在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。其制备步骤如下:先将硅衬底清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中,进行溅射生长,得到MgXZn1-XO薄膜层;然后用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在MgXZn1-XO薄膜上沉积SiO2或Al2O3薄膜;再在SiO2薄膜上溅射电极,在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。然而,在这种器件中SiO2薄膜的禁带宽度是不可调控的,不利于优化器件性能。
发明内容
本发明提供了一种结构简单且易于实现的基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件。
一种基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件,包括衬底以及从下至上依次覆于衬底上的发光层和势垒层,所述的发光层为Mg0.15Zn0.85O薄膜,所述的势垒层为MgXZn1-XO薄膜,其中X为0.2~0.9。
所述的衬底为N型硅片,电阻率为0.005~50欧姆·厘米。
所述的Mg0.15Zn0.85O薄膜厚度为100~120nm。
所述的MgXZn1-XO薄膜为厚度为50~60nm。
本发明还提供了一种电致发光器件的制备方法,包括步骤:
(1)将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂于衬底的第一面,烘干后进行热处理,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜;
(2)将MgXZn1-XO溶胶旋涂于Mg0.15Zn0.85O薄膜上,烘干后进行热处理,形成MgXZn1-XO薄膜,X值为0.2~0.9;
(3)在MgXZn1-XO薄膜上溅射Au电极,在衬底第二面溅射欧姆接触电极。
步骤(1)和步骤(2)中烘焙温度为200~400℃,烘焙时间为10~15min,该温度正好使薄膜固化。步骤(1)中热处理温度为600~800℃,热处理时间为1~2小时。步骤(2)中热处理温度为450~550℃,热处理时间为1~2小时。热处理时间温度越高、时间越长,则有机物挥发越充分,但会增加制造成本。
上述Mg0.15Zn0.85O溶胶或MgXZn1-XO溶胶均可以通过将醋酸锌、醋酸镁以及稳定剂溶于有机溶剂中搅拌制得,醋酸锌与醋酸镁摩尔比根据最终溶胶中镁和锌的摩尔比来确定,如Mg0.15Zn0.85O,醋酸锌与醋酸镁摩尔比为17∶3。有机溶剂最好选用乙二醇甲醚、稳定剂最好选用乙醇胺,它们最终会被分解或挥发,用量根据实际需要添加。
在一定的正向偏压下,本发明电致发光器件Mg0.15Zn0.85O薄膜会发光,可以通过改变MgxZn1-xO薄膜中的Mg含量调节发出激光的波长。而且制备工艺简单、易于实现,所用的设备与现行成熟的硅器件工艺兼容。
附图说明
图1为本发明电致发光器件的机构示意图;
图2为实施例1电致发光器件在不同电流下的EL谱图;
图3为实施例2电致发光器件在不同电流下的EL谱图;
图4为实施例3电致发光器件在不同电流下的EL谱图;
图5为实施例4电致发光器件在不同电流下的EL谱图。
具体实施方式
将摩尔比为x∶y的醋酸锌和醋酸镁以及乙醇胺溶于乙二醇甲醚中,搅拌制得MgyZnxO溶胶,醋酸锌和醋酸镁的摩尔比根据最终溶胶中锌镁比来确定,如制备Mg0.15Zn0.85O醋酸锌和醋酸镁的摩尔比为17∶3。制备MgXZn1-XO溶胶醋酸锌和醋酸镁的摩尔比为X∶(1-X)。乙醇胺与醋酸锌的摩尔浓度相同,调节乙二醇甲醚的用量使溶胶中的醋酸锌的摩尔浓度为0.6mol/L。
实施例1
(1)取电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的N型<100>硅片,清洗后将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂在硅衬底上,在300℃的温度下烘干10分钟,重复两次;在氧气气氛、750℃的温度下进行热处理1小时,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜。厚度约为120nm。
(2)将Mg0.2Zn0.8O溶胶旋涂Mg0.15Zn0.85O薄膜上,在300℃温度下烘干10分钟,并在自然空气条件下,在空气气氛、500℃的温度下进行热处理1小时,最后形成的Mg0.2Zn0.8O薄膜厚度约为60nm。
(3)在Mg0.2Zn0.8O薄膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极,在硅衬底背面溅射沉积100nm厚的Au电极,两者的面积均为10×10mm2。
最终形成如图1所示的结构电致发光器件,包括衬底1,衬底上从下至上发光层2、势垒层3和半透明电极4,发光层2为Mg0.15Zn0.85O薄膜,势垒层为Mg0.2Zn0.8O薄膜,衬底另一面溅射欧姆接触电极5,此处同样为Au电极。
将20nm的Au电极连接正极,100nmAu电极连接负极,测试该器件不同注入电流下的电致发光光谱(EL)。如图2所示,该光谱覆盖了紫外至可见发光区,且随着注入电流的增大,电致发光的强度也随之增大。
实施例2
(1)取电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的N型<100>硅片,清洗后将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂在硅衬底上,在200℃的温度下烘干10分钟,重复两次;在氧气气氛、750℃的温度下进行热处理1小时,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜。厚度约为120nm。
(2)将Mg0.25Zn0.75O溶胶旋涂Mg0.15Zn0.85O薄膜上,在200℃温度下烘干10分钟,并在自然空气条件下,在空气氛围、500℃的温度下进行热处理1小时,最后形成的Mg0.25Zn0.75O薄膜厚度约为60nm。
(3)在Mg0.25Zn0.75O薄膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极,在硅衬底背面溅射沉积100nm厚的Au电极,两者的面积均为10×10mm2。
上述器件其结构同实施例1,将20nm的Au电极连接正极,100nmAu电极连接负极,测试该器件不同注入电流下的电致发光光谱(EL)。如图3所示,该光谱覆盖了紫外至可见发光区,且随着注入电流的增大,电致发光的强度也随之增大,光谱在紫外光区(350-400nm)出现了一些尖锐的发光峰,这是由于电抽运随机激光引起的。
实施例3
(1)取电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的N型<100>硅片,清洗后将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂在硅衬底上,在200℃的温度下烘干15分钟,重复两次;在氧气气氛、600℃的温度下进行热处理2小时,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜。厚度约为120nm。
(2)将Mg0.35Zn0.65O溶胶旋涂Mg0.15Zn0.85O薄膜上,在300℃温度下烘干10分钟,并在自然空气条件下,在空气气氛、450℃的温度下进行热处理2小时,最后形成的Mg0.35Zn0.65O薄膜厚度约为60nm。
(3)在Mg0.35Zn0.65O薄膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极,在硅衬底背面溅射沉积100nm厚的Au电极,两者的面积均为10×10mm2。
上述器件其结构同实施例1,将20nm的Au电极连接正极,100nmAu电极连接负极,测试该器件不同注入电流下的电致发光光谱(EL)。如图3所示,该光谱覆盖了紫外至可见发光区,且随着注入电流的增大,电致发光的强度也随之增大,光谱在紫外光区(350-400nm)出现了一些尖锐的发光峰,这是由于电抽运随机激光引起的。
实施例4
(1)取电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的N型<100>硅片,清洗后将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂在硅衬底上,在400℃的温度下烘干10分钟,重复两次;在氧气气氛、800℃的温度下进行热处理1小时,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜。厚度约为120nm。
(2)将Mg0.9Zn0.1O溶胶旋涂Mg0.15Zn0.85O薄膜上,在200℃温度下烘干15分钟,并在自然空气条件下,在空气气氛、550℃的温度下进行热处理1小时,最后形成的Mg0.9Zn0.1O薄膜厚度约为60nm。
(3)在Mg0.9Zn0.1O薄膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极,在硅衬底背面溅射沉积100nm厚的Au电极,两者的面积均为10×10mm2。
上述器件其结构同实施例1,将20nm的Au电极连接正极,100nmAu电极连接负极,测试该器件不同注入电流下的电致发光光谱(EL)。如图3所示,该光谱覆盖了紫外至可见发光区,且随着注入电流的增大,电致发光的强度也随之增大,光谱在紫外光区(350-400nm)出现了一些尖锐的发光峰,这是由于电抽运随机激光引起的。
Claims (4)
1.一种基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件,包括衬底以及从下至上依次覆于衬底上的发光层和势垒层,其特征在于:所述的发光层为Mg0.15Zn0.85O薄膜,所述的势垒层为MgXZn1-XO薄膜,其中X为0.2~0.9;
所述的衬底为N型硅片;
所述的Mg0.15Zn0.85O薄膜厚度为100~120nm;所述的MgXZn1-XO薄膜为厚度为50~60nm;
所述电致发光器件通过如下方法制备:
(1)将Mg0.15Zn0.85O溶胶旋涂于衬底的第一面,烘干后进行热处理,形成Mg0.15Zn0.85O薄膜;
(2)将MgXZn1-XO溶胶旋涂于Mg0.15Zn0.85O薄膜上,烘干后进行热处理,形成MgXZn1-XO薄膜,X值为0.2~0.9;
(3)在MgXZn1-XO薄膜上溅射Au电极,在衬底第二面溅射欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的电致发光器件,其特征在于:步骤(1)和步骤(2)中烘焙温度为200~400℃,烘焙时间为10~15min。
3.根据权利要求1所述的电致发光器件,其特征在于:步骤(1)中热处理温度为600~800℃,热处理时间为1~2小时。
4.根据权利要求1所述的电致发光器件,其特征在于:步骤(2)中热处理温度为450~550℃,热处理时间为1~2小时。
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