原子层沉积硅基Al2O3-Yb2O3-Er2O3纳米复合薄膜MOS结构红外电致发光器件的研究

This study will fabricate Al2O3-Yb2O3-Er2O3 nanolaminate composite films on silicon by atomic layer deposition, and develop a high efficiency Si-based MOS structured electroluminescent devices, which are suitable for hot electron injection excitation. Using the energy level matching between Yb3+ and Er3+ ions and the high Er concentration doping characteristic of Yb2O3 film, combined with the strong transport capacity of hot electrons in Al2O3 film, to improve the doping concentration and excitation efficiency of Er3+ ions in Al2O3 film by Yb codoping strategy. The Yb atomic layer could modify the surrounding crystal field of Er3+ ions, whose effect on the excitation cross section and relaxation lifetime will be studied. By designing the periodic band structure of nanolaminate film, the separate control of the hot electron acceleration and the collision excitation process can be realized. The cascade acceleration of hot electrons and the subsequent collision electroluminescence process can be obtained to improve the luminescent efficiency of the device. The effects of electron acceleration, transport and collision in the multilayered dielectric films, and the relationship between the charge-defect & interfacial state capture process and device aging will be investigated. Effective methods to improve the stability of the current injection together with the lifetime of devices will be explored. The external quantum efficiency of Si-based infrared electroluminescence device from rare earth doped oxide film could be increased to 20%.

利用原子层沉积技术在硅上生长Al2O3-Yb2O3-Er2O3纳米层状复合结构发光薄膜，研制适合过热电子注入激发的高效率硅基MOS结构红外电致发光器件。利用Yb3+与Er3+两种离子的能级匹配以及Yb2O3薄膜的高浓度Er离子掺杂特性，和Al2O3薄膜的强过热电子输运能力相结合，通过Yb的共掺提高对Al2O3薄膜中Er3+离子的掺杂浓度和激发效率，研究Yb原子层对Er3+离子周围晶体场的改变对于激发截面和弛豫寿命的影响。通过设计周期性能带结构的纳米层状薄膜，实现对过热电子加速和碰撞激发过程的分层控制，从而获得对过热电子的多次级联加速以及碰撞发光过程，提升器件的电致发光效率。研究多层介质薄膜中电子加速、输运和碰撞以及电荷被缺陷和界面态俘获过程与器件老化的内在联系，探索提高电注入稳定性和器件寿命的有效方法。力争使得稀土掺杂氧化物薄膜红外电致发光器件的外量子效率达到20%。

在高集成度的硅基微电子制造工艺基础上研制硅基光电集成系统将发挥光子器件的超高带宽与传输速率的优势，是未来高性能信息芯片的解决方案。本项目针对硅基光电集成系统亟需的高效率硅基光源材料及器件，采用原子层沉积（ALD）技术完成Yb2O3、Er2O3、Tb2O3、Eu2O3、Tm2O3和Ho2O3等稀土氧化物薄膜的关键沉积工艺和叠层薄膜光电性能的研究，以及多组分复杂嵌套薄膜的生长工艺研发。生长各类纳米叠层氧化物薄膜，并结合高温退火工艺合成硅酸盐薄膜和石榴石相多晶薄膜，研究薄膜物相结构、电学和光学性质随制备参数的变化。利用ALD工艺制备高质量的高电场下电注入稳定的high-k介质保护层并微调其电学参数，结合上述发光薄膜分别制备Al2O3:Yb、Yb2O3:Er、Yb2Si2O7:Er、Yb3Al5O12:Er和Al2O3:Yb,Er等多种近红外电致发光器件，以及蓝色Al2O3:Tm、绿色Al2O3:Tb和Al2O3:Ho、红色Al2O3:Eu等可见区发光器件，对其I-V特性和电致发光性能、稀土离子在不同氧化物基体中的交叉弛豫和团聚等问题进行了比较研究。通过偶极子理论分析了Al2O3基体中不同稀土离子的交叉弛豫的作用范围，总结了稀土掺杂氧化物薄膜发光材料的优化制备参数和提升光电性能的经验规律。研究稀土氧化物Yb2O3、硅酸盐Yb2Si2O7和石榴石晶相Yb3Al5O12基体中掺入Er离子制备器件的红外发光性能；制备Al2O3/Yb2O3:Er叠层结构薄膜电致发光器件，研究周期结构的电输运和电致发光性能，通过Yb共掺层调控器件的激发模式和发光性能，利用Yb对Er的敏化和能量传递显著增强了器件在光通讯波段的红外发光，验证了电激励模式下稀土离子间能量传递对电致发光性能的增强。上述工作制得了多种发光波长的较高量子效率的硅基电致发光器件，其中可见区绿光/红光器件的最高量子效率可达5%以上，功率效率超过0.14%，而红外区光通讯波段发光器件的量子效率提升至24%，功率效率达到0.28%，通过进一步提升发光器件的综合性能，有望将上述电致发光器件集成到硅基光电系统中，并制备光放大器乃至激射器件，继续推进硅基光电集成领域的研究发展和实用化。