CN102800780B - 一种电致红外发光器件及其制备方法 - Google Patents
一种电致红外发光器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102800780B CN102800780B CN201210273438.8A CN201210273438A CN102800780B CN 102800780 B CN102800780 B CN 102800780B CN 201210273438 A CN201210273438 A CN 201210273438A CN 102800780 B CN102800780 B CN 102800780B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- doped
- zinc oxide
- silicon substrate
- type silicon
- oxide film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种电致红外发光器件，包括P型硅衬底、自下而上依次沉积在P型硅衬底正面的发光层和透明电极层、以及沉积在P型硅衬底背面的欧姆接触电极，所述的发光层为掺铒的氧化锌膜。本发明还提供了一种制备上述电致红外发光器件的制备方法。本发明的电致红外发光器件结构简单，制造方便，该发光器件在较低的正向直流偏压下会在红外光区域发光，发光波长为铒离子的约1540nm的特征发光尖峰；且发光强度随着注入电流的增大而增加，可根据实际需要调整注入适当的电流，以得到适当的发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种电致红外发光器件及其制备方法
背景技术
由于来自三价铒离子的约1540nm的特征发光位于光纤通讯中的损耗极小值，关于由掺铒的介质材料制得的红外发光器件的研究目前广受关注。基于硅衬底的发光器件的研究大多关注于掺铒的氧化硅及氮化硅体系，但在以上材料中，电注入困难导致器件工作电压过高(O.Jambois，F.Gourbilleau，A.J.Kenyon，J.Montserrat，R.Rizk and B.Garrido，OpticsExpress 18，2230(2010)；S.Yerci，R.Li and L.Dal Negro，Applied PhysicsLetters 97，081109(2010))。基于III-V族半导体的掺铒的发光器件也已有较多报道(M.Garter，J.Scofield，R.Birkhahn and A.J.Steckl，Applied PhysicsLetters 74，182(1999)；R.Dahal，C.Ugolini，J.Y.Lin，H.X.Jiang and J.M.Zavada，Applied Physics Letters 97，141109(2010))，但III-V族半导体不可或缺的Ga和In面临资源稀缺的限制。因此，探索基于在资源上更有优势的其它掺铒的半导体的红外发光器件具有重要的现实意义。
氧化锌作为常见的宽禁带直接带隙氧化物半导体材料，激子束缚能高，载流子的注入和传输较易实现，且价格低廉。已有研究中，基于氧化锌的紫外以及可见光区的电致发光(electroluminescence，EL)器件已经实现(P.Chen，X.Ma，D.Li，Y.Zhang and D.Yang，Applied Physics Letters 90，251115(2007))。关于掺铒的氧化锌的光致发光已有报道(M.Kohls，M.Bonanni，L.Spanhel，D.Su and M.Giersig，Applied Physics Letters 81，3858(2002))。申请号为CN02137628.X的专利文献公开了一种掺铒氧化锌近红外光源，在GaN基发光二极管上，沉积掺铒氧化锌单晶薄膜，转换波长，构成发射波长为1540nm的近红外光源。但是，上述掺铒氧化锌近红外光源发光过程中，Er的发光属于光致发光(photoluminescence，PL)范畴，应用范围受限；电压电流是通过电极施加在GaN基薄膜发光二极管上的，电能激发GaN基发光二极管发出的蓝绿光被临近的氧化锌膜层中的铒离子吸收，进而发射出约1540nm的红外光。另外，上述文献中掺铒氧化锌近红外光源中的氧化锌层为单晶薄膜，为了生长这层单晶膜还需要插入生长一层缓冲层，结构较为复杂。
而在S.Harako等人报道的基于掺铒的氧化锌的电致发光器件中(S.Harako，S.Yokoyama，K.Ide，X.Zhao and S.Komoro，Physica Status Solidi(a)205，19(2008))，活性层采用激光烧蚀法生长，铒离子只有在高于20V的反向的交流电压下才能得以碰撞离化，从而发射出红外光；这与在正向电压电流下通过注入的电子和空穴的复合而将能量传递给铒离子激发发光的方式相比，能量利用率低且激发电压高。但截至目前，基于掺铒的氧化锌的红外光区的正向低压直流的电致发光器件还未见诸报道。
发明内容
本发明提供了一种电致红外发光器件，该发光器件结构简单，制造方便，在较低的正向直流偏压下，该发光器件在中红外光区出现了显著的约1540nm的发光峰，为三价铒离子的特征发光尖峰，利用该发光器件发光时，发光效率高，能耗小。
一种电致红外发光器件，包括P型硅衬底、自下而上依次沉积在P型硅衬底正面的发光层和透明电极层、以及沉积在P型硅衬底背面的欧姆接触电极，所述的发光层为掺铒(Er)的氧化锌(ZnO)膜。
为提高发光器件的发光效果，作为优选的技术方案，所述的电极层为透明的掺锡氧化铟(ITO)膜，该膜导电性良好，且在红外光区有较高的透过率。
电极层设置的厚度可根据实际需要调整，不能过薄，电极层过薄时电极表面易损坏，电极层也不宜过厚，电极层过厚会部分遮挡发射的红外光，影响发光器件的发光效率，作为优选的技术方案：所述的电极层的厚度为120～180nm。
欧姆接触电极可选用本领域使用的导电材料，作为优选，所述的欧姆接触电极为金(Au)膜，选用金膜作为欧姆接触电极稳定性较好，不易被氧化和腐蚀。
所述的欧姆接触电极的厚度为100～200nm，厚度过厚会大大增加发光器件的制备成本。
所述的P型硅衬底的厚度为600～700微米，电阻率为0.001～0.01欧姆·厘米，保证了在低的正向偏压下有效提供载流子激发活性层发光。
所述的掺铒的氧化锌膜的厚度为100～200nm。制备此厚度的膜层，既能形成较为平整且有效发光的活性层，又能节省工序和原材料。
本发明中所述的掺铒的氧化锌膜可采用现有方法制备，一种优选的技术方案为：所述的掺铒的氧化锌膜的制备方法为：
(1)利用磁控溅射法沉积掺铒的氧化锌初始膜；
(2)将制备得到掺铒的氧化锌初始膜在氧气氛围中，700～750℃条件下热处理2～5小时，得到掺铒的氧化锌膜。
实验表明，热处理温度小于700℃热处理得到的膜层制成的器件在相似的电学条件下无法激发出约1540nm的红外光，而由大于800℃热处理得到的膜层制成的器件的电阻过高，以致无法在低压下有效的注入电流激发器件发光。
所述的步骤(1)中，磁控溅射过程采用氧化锌陶瓷靶和金属铒靶共同溅射来沉积掺铒的氧化锌初始膜，所述的掺铒的氧化锌膜中铒的掺入量以原子比计为1-2％，实际制备过程中，铒的掺入量通过调整施加在金属铒靶上的功率控制，掺铒的氧化锌膜的整体厚度通过调整施加在氧化锌陶瓷靶上功率控制。其中，氧化锌陶瓷靶上施加的功率为60～70W，金属铒靶上施加的功率为25～35W。
本发明还提高了一种制备上述电致红外发光器件的方法，包括：
(1)在P型硅衬底正面通过磁控溅射法沉积掺铒的氧化锌膜；
(2)利用直流溅射法在掺铒的氧化锌膜上沉积透明电极层；
(3)在P型硅衬底的背面通过直流溅射法沉积欧姆接触电极。
与现有技术相比，本发明的电致红外发光器件结构简单，制造方便，该发光器件在较低的正向直流偏压(即正面透明导电膜接负电压，而硅片背面欧姆电极接正电压)下会在红外光区域发光，发光波长为铒离子的约1540nm的特征发光尖峰；且发光强度随着注入电流的增大而增强，可根据实际需要调整注入适当的电流，以得到适当的发光强度。
附图说明
图1为本发明电致红外发光器件的结构示意图；
图2为实施例1的电致红外发光器件在不同电压和电流下的红外光区的电致发光光谱；
图3为实施例1与对比例1的电致发光器件在相同电流下的红外光区的电致发光光谱。
具体实施方式
如图1所示，一种电致发光器件，包括P型硅衬底1、由下而上依次沉积在P型硅衬底1正面的发光层2和电极层3及沉积在P型硅衬底1背面的欧姆接触电极4，P型硅衬底1为厚度675微米，尺寸为15×15mm2，电阻率约为0.003欧姆·厘米，发光层2为掺Er的ZnO膜，厚度为150～160nm，电极层3为厚度为150nm的ITO膜，欧姆接触电极4为厚度为150nm的Au膜，ITO透明电极和Au欧姆接触电极两者均呈直径为10mm的圆形。
实施例1：电致发光器件的制备方法
(1)取电阻率约为0.003欧姆·厘米、尺寸为15×15mm2、厚度为675微米的P型<100>硅片，清洗后，将硅片置于射频溅射腔体内，使用真空泵将腔体内压强抽至3.5×10-3Pa后，通入纯Ar气至1Pa，使用ZnO陶瓷靶和金属Er靶共同溅射来沉积薄膜，施加的功率分别为约70W和30W；沉积过程中P型<100>硅衬底温度保持在100℃，沉积时间为30分钟。随后将沉积得到的薄膜置于氧气气氛下于700℃热处理2.5小时，最终形成掺Er的ZnO薄膜，薄膜厚度约为150nm，Er的掺入量为原子比1.5％。
(3)在掺Er的ZnO薄膜上使用直流反应溅射沉积厚约150nm的透明ITO电极，在硅衬底背面使用直流溅射沉积150nm厚的Au欧姆接触电极，两者呈直径为10mm的圆形。
将上述器件中的Au欧姆接触电极接正电压，ITO电极接负电压，测试该器件在不同注入电流(2mA和10mA)下的红外光区电致发光光谱(EL)，结果如图2所示，由图可知，电致发光光谱中红外光区出现了显著的约1540nm的发光峰；随着注入电流的增大，电致发光的强度也随之增强。
对比例1：
(1)取电阻率约为0.003欧姆·厘米、尺寸为15×15mm2、厚度为675微米的P型<100>硅片，清洗后，将硅片置于射频溅射腔体内，使用真空泵将腔体内压强抽至3.5×10-3Pa后，通入纯Ar气至1Pa，使用ZnO陶瓷靶和金属Er靶共同溅射来沉积薄膜，施加的功率分别为约70W和30W；沉积过程中P型<100>硅衬底温度保持在100℃，沉积时间为30分钟。随后将沉积得到的薄膜置于氧气气氛下于600℃热处理2.5小时，最终形成掺Er的ZnO薄膜，薄膜厚度约为150nm。
(3)在掺Er的ZnO薄膜上使用直流反应溅射沉积厚约150nm的透明ITO电极，在硅衬底背面使用直流溅射沉积150nm厚的Au欧姆接触电极，两者呈直径为10mm的圆形。
将上述器件中的Au欧姆接触电极接正电压，ITO电极接负电压，测试对比该器件与实施例1中基于700℃热处理后的薄膜的器件在相同注入电流(10mA)下的红外光区电致发光光谱(EL)，结果如图3所示，由图可知，对比例1所描述的器件在红外光区没有明显发光。
Claims (3)
1.一种电致红外发光器件，包括P型硅衬底(1)、自下而上依次沉积在P型硅衬底(1)正面的发光层(2)和电极层(3)、以及沉积在P型硅衬底(1)背面的欧姆接触电极(4)，其特征在于，所述的发光层(2)为掺铒的氧化锌膜；
所述的电极层(3)的厚度为120～180nm；
所述的欧姆接触电极为金膜；所述的欧姆接触电极的厚度为100～200nm；
P型硅衬底的厚度为600～700微米，电阻率为0.001～0.01欧姆·厘米；所述的掺铒的氧化锌膜的厚度为100～200nm；
所述的掺铒的氧化锌膜的制备方法为：
(1)利用磁控溅射法沉积掺铒的氧化锌初始膜；
(2)将制备得到掺铒的氧化锌初始膜在氧气氛围中、700～750℃条件下热处理2～5小时，得到掺铒的氧化锌膜；
所述的掺铒的氧化锌膜中铒的掺入量以原子比计为1-2％。
2.根据权利要求1所述的电致红外发光器件，其特征在于，所述的电极层(3)为透明的掺锡氧化铟膜。
3.一种权利要求1所述的电致红外发光器件的制备方法，包括：
(1)在P型硅衬底正面通过磁控溅射法沉积掺铒的氧化锌膜；
(2)利用直流溅射法在掺铒的氧化锌膜上沉积透明电极层；
(3)在P型硅衬底的背面通过直流溅射法沉积欧姆接触电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210273438.8A CN102800780B (zh) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 一种电致红外发光器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210273438.8A CN102800780B (zh) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 一种电致红外发光器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102800780A CN102800780A (zh) | 2012-11-28 |
| CN102800780B true CN102800780B (zh) | 2015-03-25 |
Family
ID=47199827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210273438.8A Expired - Fee Related CN102800780B (zh) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 一种电致红外发光器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102800780B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103219646A (zh) * | 2013-03-21 | 2013-07-24 | 常州镭赛科技有限公司 | 光放大器 |
| CN104124317B (zh) * | 2013-04-25 | 2017-10-17 | 浙江大学 | 一种掺钕的无机电致红外发光器件及其制备方法 |
| CN110444644B (zh) * | 2019-07-26 | 2022-10-14 | 浙江大学 | 一种增强硅基铒掺杂ZnO薄膜电致发光的器件及制备方法 |
| CN114464715B (zh) * | 2021-07-05 | 2024-03-29 | 荣耀终端有限公司 | 红外发射器及其制备方法、显示面板及其制备方法和终端 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1405902A (zh) * | 2002-10-25 | 2003-03-26 | 华东师范大学 | 掺铒氧化锌近红外光源 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005197327A (ja) * | 2003-12-27 | 2005-07-21 | Japan Fine Ceramics Center | 発光材料及びこれを用いた光素子 |
| JP4922611B2 (ja) * | 2005-12-26 | 2012-04-25 | 学校法人東京理科大学 | 酸化亜鉛光デバイス、酸化亜鉛光デバイスの製造方法、および酸化亜鉛光デバイスの利用方法 |
-
2012
- 2012-08-02 CN CN201210273438.8A patent/CN102800780B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1405902A (zh) * | 2002-10-25 | 2003-03-26 | 华东师范大学 | 掺铒氧化锌近红外光源 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102800780A (zh) | 2012-11-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102185062B (zh) | 一种iii族氮化物发光二极管及其制作方法 | |
| CN101505035B (zh) | 一种n-氧化锌/p-氧化镍异质pn结紫外激光二极管及其制备方法 | |
| CN102800780B (zh) | 一种电致红外发光器件及其制备方法 | |
| CN104124316B (zh) | 一种无机电致发光器件及其制备方法 | |
| CN102364708B (zh) | 一种电致发光器件及其制备方法 | |
| CN110444644B (zh) | 一种增强硅基铒掺杂ZnO薄膜电致发光的器件及制备方法 | |
| CN107863424A (zh) | 一种基于钙钛矿薄膜的全无机发光器件及其制备方法 | |
| CN109509819B (zh) | 一种基于铒、氟共掺杂ZnO薄膜的电致发光器件及制备方法 | |
| CN102157655B (zh) | 基于钛酸锶/p型硅异质结的电致发光器件及制备方法 | |
| CN111653652B (zh) | 一种硅基铒掺杂镓酸锌薄膜电致发光器件及其制备方法 | |
| CN104124317B (zh) | 一种掺钕的无机电致红外发光器件及其制备方法 | |
| Park et al. | Sputter deposition of Sn-doped ZnO/Ag/Sn-doped ZnO transparent contact layer for GaN LED applications | |
| CN109686826B (zh) | 一种基于Er、Zr共掺杂TiO2薄膜的电致发光器件及其制备方法 | |
| CN105336820B (zh) | 一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法 | |
| CN104681682B (zh) | 一种基于铒掺杂CeO2薄膜的电致发光器件及其制备方法 | |
| CN101894893B (zh) | 基于双层MgZnO薄膜异质结的电致发光器件 | |
| CN112467002B (zh) | 一种氧化物发光场效应晶体管 | |
| CN1453840A (zh) | 一种p型氧化锌薄膜的制备方法 | |
| CN102130229B (zh) | 改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法 | |
| KR20230127679A (ko) | 저전압 mos 구조 가시광선 면발광소자 및 이의 제조 방법 | |
| CN102290707B (zh) | 紫外及可见并存的电抽运随机激射器件及制备方法 | |
| CN104735833A (zh) | 一种基于稀土掺杂TiO2薄膜的电致发光器件及其制备方法 | |
| CN102610724B (zh) | 一种基于CdZnO薄膜的电致发光器件及制备方法 | |
| CN103633204B (zh) | 一种Ta2O5/ZnO/HfO2非对称双异质结发光二极管及其制备方法 | |
| JP4848181B2 (ja) | 正孔注入型ｅｌ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ma Xiangyang Inventor after: Yang Yang Inventor after: Yang Deren Inventor before: Ma Xiangyang Inventor before: Yang Yang |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: MA XIANGYANG YANG YANG TO: MA XIANGYANG YANG YANG YANG DEREN |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150325 Termination date: 20150802 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |