CN108011000B - 硅基mos薄膜发光器件及其制备方法和全光谱薄膜发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基MOS薄膜发光器件及其制备方法和全光谱薄膜发光器件，属于薄膜发光器件领域。包括硅基及设置在硅基表面的凸起结构；所述凸起结构为三角棱型、不规则山丘型、嵌套金字塔型、米字金字塔型、四方体金字塔型和四棱锥金字塔型中的一种或几种；凸起结构在硅基表面的分布密度、底部尺寸及高度可调。本发明通过利用各向异性碱性溶液湿法腐蚀的方法，在硅基表面制备出不同形貌、密度、底部尺寸和/或高度的凸起。本发明通过利用这种具有凸起结构的硅基，使得基于MOS结构击穿形成导电通道发光的全光谱薄膜发光器件的发光强度增大，器件的发光效率提高。
Description
技术领域
本发明属于薄膜发光器件领域，具体涉及一种硅基MOS薄膜发光器件及其制备方法和全光谱薄膜发光器件。
背景技术
传统的发光二极管(LED,Light Emitting Diode)和有机发光二极管(OLED,Organic Light Emitting Diode)均难以直接发出白光，虽然目前市场上可用于发光的材料种类繁多，发光器件及发光原理也各不相同，但是不经过紫外及蓝光激发或者三基色混色、能够直接发出优良白光的器件和材料少之又少，而且常规的LED和OLED产生白光的方法存在成本高，制备工艺繁琐，与集成电路(IC,Integrated Circuit)工艺不兼容，会造成环境污染等问题。
目前，有关LED和OLED的大多数关键技术和专利均为欧美、日本等工业发达国家所掌握，严重制约国内相关显示和照明等领域的发展。一种基于氧化铪(HfOx)薄膜的、金属氧化物半导体(MOS,Metal Oxide Semiconductor)结构的发光器件可在300nm-1100nm的范围内发射连续光谱，并且具有器件结构简单，显色指数(CRI)高，制备工艺和IC兼容，可在大气中直接发光，寿命长等优点，是一种可代替传统白光LED的新型器件。
全光谱薄膜发光器件的发光机理是，MOS结构被击穿之后形成导电通道的热致激发发光。目前，现有结构的全光谱薄膜发光器件导电通道数目少，发光强度低，发光效率低。因此，全光谱薄膜发光器件迫切需要采用改进其结构、材料等措施来提高其发光效率。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基MOS薄膜发光器件及其制备方法和全光谱薄膜发光器件，该器件结构使得硅基上制备的器件导电通道数目明显增多，发光强度增大，器件的发光效率得到显著的提高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种硅基MOS薄膜发光器件，包括硅基及设置在硅基表面的凸起结构；所述凸起结构为不规则山丘型、嵌套金字塔型、米字金字塔型、四方体金字塔型和四棱锥金字塔型中的一种或几种；凸起结构在硅基表面的分布密度、底部尺寸及高度可调。
优选地，所述硅基采用晶向<100>的p型硅片。
优选地，硅基表面的凸起结构的密度为102个/mm2～1014个/mm2。
优选地，硅基表面的凸起结构的底部尺寸为1nm～200μm。
优选地，硅基表面的凸起结构的高度为1nm～10μm。
本发明还公开了上述的硅基MOS薄膜发光器件的制备方法，采用湿法腐蚀法在硅基表面进行腐蚀处理，制备凸起结构；所用腐蚀溶液为各向异性碱性溶液。
优选地，所述各向异性碱性溶液为单一碱性腐蚀溶液，采用KOH、NaOH、NH4OH、Na2CO3、Na3PO4、、TMAH、N2H4或EPW，且单一碱性腐蚀溶液的浓度为0.1％～30％。
优选地，所述各向异性碱性溶液为复合碱性腐蚀溶液，包括两种溶液混合A:B，或三种溶液混合A:B:C；
两种溶液混合A:B，包括：KOH:IPA、KOH:(CH2OH)2、KOH:CH3CH2OH、KOH:TMAH、NaOH:IPA、NaOH:CH3CH2OH、NaOH:(CH2OH)2、Na2CO3:NaHCO3、TMAH:IPA或TMAH:EPW；
三种溶液混合A:B:C为NaOH:IPA:Na2SiO3；
其中，A溶液的浓度范围为：0.1％～30％，B溶液的浓度范围为：0.1％～15％，C溶液的浓度范围为：0.1％～10％。
优选地，腐蚀处理的温度为20～120℃，处理时间为5min～10h。
本发明还公开了含有上述的硅基MOS薄膜发光器件的全光谱薄膜发光器件，其制备方法为：利用湿法腐蚀法制备了凸起的硅基上依次沉积二氧化硅(SiO2)薄膜、HfOx介质薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜、HfOx介质薄膜和氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜，并通过光刻、退火等工艺对各层进行微纳加工，即可得到全光谱薄膜发光器件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过利用各向异性碱性溶液湿法腐蚀的方法，在硅基表面制备出不同形貌、密度、底部尺寸和/或高度的凸起。在相同的加工工艺、器件尺寸和外加电压下，将有凸起结构的全光谱薄膜发光器件与无凸起结构的全光谱薄膜发光器件相比较，前者的介质层更易被击穿形成导电通道，从而使导电通道的数目明显增多，发光强度增大，使器件的发光效率得到显著的提高。
本发明通过利用这种具有凸起结构的硅基，使得基于MOS结构击穿形成导电通道发光的全光谱薄膜发光器件的发光强度增大，器件的发光效率提高。
附图说明
图1为本发明公开的硅基表面不规则山丘型凸起结构示意图；
图2为本发明公开的硅基表面嵌套金字塔型凸起结构示意图；
图3为本发明公开的硅基表面米字金字塔型凸起结构示意图；
图4为本发明公开的硅基表面四方体金字塔型凸起结构示意图；
图5为本发明公开的硅基表面四棱锥金字塔型凸起结构示意图；
图6为本发明实施例1的硅基表面凸起结构SEM表面图；
图7为本发明实施例1的硅基表面凸起结构SEM剖面图；
图8为本发明公开的有凸起结构的全光谱薄膜发光器件的结构示意图；
图9为器件发光照片及导电通道数目对比图；其中，(a)为本发明实施例制备的全光谱薄膜器件发光照片，(b)为传统全光谱薄膜发光器件发光照片，(c)为两种器件在相同位置和范围内的导电通道数目对比直方图；
图10为本发明实施例制备的全光谱薄膜器件和传统全光谱薄膜发光器件发光光谱对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的一种硅基MOS薄膜发光器件，包括硅基及设置在硅基表面的凸起结构；所述凸起结构为不规则山丘型、嵌套金字塔型、米字金字塔型、四方体金字塔型和四棱锥金字塔型中的一种或几种；凸起结构在硅基表面的分布密度、底部尺寸及高度可调。
本发明通过改变湿法腐蚀溶液的类型、浓度、温度和/或腐蚀时间，就可以在硅基表面获得不同的凸起结构、密度、底部尺寸和/或高度。本发明实施例的核心为在硅片表面通过湿法腐蚀法腐蚀出凸起，将腐蚀后的硅片作为衬底制备全光谱薄膜发光器件，以提高器件的放光效率。利用湿法腐蚀制备的一种硅基表面凸起结构通过以下实施例进行说明。
实施例1
参见图1，一种硅基MOS薄膜发光器件，采用晶向<100>的p型硅片作为器件的基底，使用8％的TMAH腐蚀溶液对硅基腐蚀10h，或使用30％的TMAH腐蚀溶液对硅基腐蚀2h，腐蚀温度为室温25℃，在硅基表面制备得到不规则山丘型凸起结构。
实施例2
参见图2，一种硅基MOS薄膜发光器件，采用晶向<100>的p型硅片作为器件的基底，使用2％的KOH溶液对硅基腐蚀45min，腐蚀温度为80℃，在硅基表面制备得到嵌套金字塔型凸起结构。
实施例4
参见图3，一种硅基MOS薄膜发光器件，采用晶向<100>的p型硅片作为器件的基底，使用复合溶液NaOH:IPA＝0.25％:6％对硅基腐蚀15min，腐蚀温度为90℃，在硅基表面制备得到米字金字塔型凸起结构。
实施例5
参见图4，一种硅基MOS薄膜发光器件，采用晶向<100>的p型硅片作为器件的基底，使用复合溶液TMAH:IPA＝3.6％:15％对硅基腐蚀1h，腐蚀温度为75℃，在硅基表面制备得到四方体金字塔型凸起结构。
实施例6
参见图5，一种硅基MOS薄膜发光器件，采用晶向<100>的p型硅片作为器件的基底，使用复合溶液NaOH:CH3CH2OH＝15％:10％对硅基腐蚀5min，腐蚀温度为85℃，或使用复合溶液NaOH:IPA:Na2SiO3＝1.5％:6.5％:0.1％对硅基腐蚀25min，腐蚀温度为80℃，或使用EPW(NH2(CH2)2NH2:C6H4(OH)2:H2O＝30％:3.7％:66.4％)溶液对硅基腐蚀30min，腐蚀温度为115℃，在硅基表面制备得到四棱锥金字塔型凸起结构。
制得的凸起结构的SEM表面图和剖面图如图6和图7所示，可以看出，其形貌结构为不规则山丘型。经数学统计，该凸起结构的凸起密度在102个/mm2～1014个/mm2之间，凸起底部尺寸在1nm～200μm之间，凸起高度在1nm～10μm之间。
如图8所示，为本发明公开的含有凸起结构的全光谱薄膜发光器件的结构示意图。包含p型硅基底801、硅基表面凸起802、SiO2薄膜803、HfOx介质薄膜804、ZnO薄膜805、HfOx介质薄膜806、ITO导电薄膜807、导线808和电源809。对制备好的全光谱薄膜发光器件外加反向电压，当电压达到某一阈值电压时，器件就会被介电击穿从而形成纳米级别的导电通道，当大的电流通过这些极窄的导电通道时就会产生极高的热量从而使器件发光。
对本发明实施例中制备的器件和在相同条件和工艺下利用现有技术制备的器件进行比较，得到：
(1)如图9所示，其中，(a)为本发明实施例制备的全光谱薄膜器件发光照片，(b)为传统全光谱薄膜发光器件发光照片，(c)为两种器件在相同位置和范围内的导电通道数目对比直方图；在相同位置、相同大小区域内对2种器件的导电通道数目分别进行统计，结果表明，本发明实施例制备的全光谱薄膜发光器件的导电通道的数目是现有技术制备的全光谱薄膜发光器件导电通道数目的3倍以上；
(2)如图10所示，可以看出，在相同电压下，本发明实施例制备的全光谱薄膜发光器件的发光强度是现有技术制备的全光谱薄膜发光器件发光强度的8倍以上。
最后需要说明的是，以上实施例仅为说明本发明的技术方案，而非对本发明作限制性理解。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员在本发明技术的方案范围内，进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种硅基MOS薄膜发光器件，其特征在于，包括硅基及设置在硅基表面的凸起结构；所述凸起结构为不规则山丘型、嵌套金字塔型、米字金字塔型、四方体金字塔型和四棱锥金字塔型中的一种或几种；凸起结构在硅基表面的分布密度、底部尺寸及高度可调；
该硅基MOS薄膜发光器件基于MOS结构击穿形成的导电通道数目增多而提高光效。
2.根据权利要求1所述的硅基MOS薄膜发光器件，其特征在于，所述硅基采用晶向<100>的p型硅片。
3.根据权利要求1所述的硅基MOS薄膜发光器件，其特征在于，硅基表面的凸起结构的密度为102个/mm2～1014个/mm2。
4.根据权利要求1所述的硅基MOS薄膜发光器件，其特征在于，硅基表面的凸起结构的底部尺寸为1nm～200μm。
5.根据权利要求1所述的硅基MOS薄膜发光器件，其特征在于，硅基表面的凸起结构的高度为1nm～10μm。
6.含有权利要求1～5中任意一项所述的硅基MOS薄膜发光器件的全光谱薄膜发光器件。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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