稀土离子掺杂的硅基纳米层状结构紫外电致发光器件

利用原子层沉积技术生长高质量SiO2:Gd紫外发光薄膜和纳米层状结构发光薄膜，通过人工设计纳米层状薄膜的能带结构，实现对过热电子加速和碰撞发光过程的分层控制，提高过热电子的平均能量和有效稀土发光中心的密度；利用周期性纳米层状结构实现对过热电子的多次级联加速以及碰撞发光过程，提高紫外电致发光的效率；研究薄膜中与电致发光激发过程有关的电子加速、输运、碰撞发光过程以及电注入发光薄膜中电子和空穴被缺陷和界面态俘获过程与发光器件老化的内在联系，探索提高发光稳定性的有效方法；采用复合栅层, 提高器件的电注入稳定性。最终研制发射波长316 nm的高效率硅基紫外电注入发光器件。

原子层沉积（ALD）是上世纪70年代由芬兰的两位化学家Suntola 和 Antson发明的薄膜沉积技术。ALD生长薄膜的原理是将衬底交替暴露在两种反应前驱体蒸汽中，以ABAB自限制的饱和表面化学反应，逐原子层沉积薄膜。ALD的优点是薄膜厚度控制非常精确，能达到单原子层厚度级别，不同的原子层可以自由排列组合构建出多组分化合物薄膜，可以原子层放在需要的地方。ALD使得薄膜的生长过程实现了数字化，使得我们可以从原子层级别设计和生长具有特定功能的薄膜。ALD沉积的薄膜致密，无针孔缺陷，台阶覆盖性好，大面积厚度非常均匀。近年来ALD技术迅速发展，已经可以沉积几百种薄膜[13]，被广泛应用于微电子、光学、防腐、催化、燃料电池和太阳能电池等众多领域。. 本项目在国际上首次将先进的原子层沉积技术应用于硅基MOS结构电致发光器件的研究，以替代传统的离子注入和热氧化薄膜技术。我们从零起步，筹建了项目实施所需要的以ALD为核心技术的硅电致发光器件工艺线和光电综合测试系统。在项目实施过程中，我们从多种基础薄膜材料的工艺优化起步，首先研究了多种宽禁带氧化物薄膜的ALD生长过程，对原子层沉积薄膜的光学和电学性能随制备条件的变化进行了系统的研究，成功生长出高质量的SiO2、ZnO、HfO2、Al2O3、Gd2O3、TiO2 薄膜等，然后将不同材料以原子层尺度精确配比组合构建出光电性能可调控的ZnO/Al2O3透明导电纳米层状薄膜，TiO2/Al2O3高介电常数介质纳米层状电注入薄膜，稀土氧化物原子层掺杂的SiO2纳米层状复合发光薄膜等。充分发挥ALD技术在精细组分控制的优势，使得复合薄膜的整体电学和光学特性满足电致发光器件的要求。最终全部利用原子层沉积技术在硅衬底上构建了由透明导电薄膜、high-k复合介质薄膜、以及稀土掺杂的氧化硅薄膜构成的硅基MOS结构复合薄膜电致发光器件，通过系统研究器件的电致发光性能，优化器件结构，获得了高效率的紫外、蓝色和绿色硅基电致发光， 完成了项目的预期目标。