原子层沉积稀土氧化物和硅酸盐纳米复合薄膜硅基MOS电致发光器件的研究

MOS electroluminescence (EL)devices with doped rare earth （Gd，Y or Lu）oxide and silicate composite layers are prepared by atomic layer deposition technology. Efficient EL nanolaminates will be precisely constructed by atomic layer scale mixing up silicon oxide and rare earth oxide atomic layers with complementary electric and optical properties. Rare earth silicates phosphor films containging nanolaminate structures are synthesized by high temperature annealing. The influence of the composition and quamtum size effect on the EL efficiency of the nanolaminates will be studied.The optical band gap, the energy levels of the impurities and defects will be analyzed by the absorption,emission and excitation spectroscopy. The influence of the nanolaminate composition on the electric properties,such as carrier transport， effective dielectric contants，leakage current，breakdown electric field strength as well as the mobile charges are studied by the I-V and C-V characteristics. Light emission from the band gap engineered modulation doping structures and rare earth silicate multiple quantum well cascade structures will be studied for increasing the EL efficiency and the stability of the current injection. CMOS compatible efficient infrared and visible MOS LEDs will be proposed for silicon integrated optoelectronic chips.

采用原子层沉积技术制备掺杂稀土(Gd、Y或者Lu)氧化物和硅酸盐纳米复合栅层硅基MOS电致发光器件。用电学和发光性能互补的氧化硅和稀土氧化物材料，从原子层尺度精确配比构建高效率纳米层状复合电致发光薄膜，进一步利用高温退火合成含纳米层状组分变化结构的稀土硅酸盐复合发光材料。研究纳米层状结构的量子尺寸效应以及硅与稀土原子层数比例变化对电致发光效率的影响。利用吸收、发射和激发光谱分析纳米复合材料的光学带隙、发光中心和缺陷能级的变化规律；同时利用I-V和C-V特性研究复合材料的载流子传导方式、有效介电常数、漏电流、击穿场强和可移动电荷等电输运性质随纳米层状结构的变化情况；用能带工程方法设计稀土单原子层调制掺杂以及稀土硅酸盐多量子阱级联式电致发光器件，协同提高电致发光效率和电注入稳定性。为硅集成光电子芯片研制与CMOS工艺兼容的高效率红外和可见电致发光器件。

首次全部利用原子层沉积技术在硅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物薄膜构成的硅基MOS结构复合薄膜电致发光器件，获得了高效率硅基电致发光，对其I-V特性和电致发光性能进行分析研究。.采用ALD法研制高透过率低电阻的透明导电电极，以及适合直流电注入的high-k介质保护层。完成SiO2，Al2O3，Gd2O3，Tb2O3，Y2O3和Er2O3等氧化物薄膜的ALD沉积关键工艺和薄膜光电性能的研究，结合高温退火工艺合成多种具有光学活性的硅酸盐薄膜。.研究了SiO2:Er，Al2O3:Er以及SiO2/Al2O3:Er复合结构薄膜电致发光器件，制备多层量子阱结构级联薄膜电致发光器件。Er掺杂层之间的SiO2电子加速层厚度接近高电场下导带过热电子平均加速自由程（约3nm）时，可充分利用SiO2的高电场导带过热电子加速能力并有效抑制浓度猝灭效应。1μA电流下器件量子效率达21%，功率效率为0.1%。100μA下器件输出光功率3.4μW, 表面发光功率密度为1.74mW/cm2，外量子效率为4.3％。研究Al2O3:Er纳米复合层状掺杂周期结构变化对于器件电致发光的影响，红外发光的量子效率高达30%，发光功率密度高于1mW/cm2，接近相同发光波段商品化InGaPAs LED。.利用ALD法结合不同退火温度，获得Er掺杂的氧化钆和硅酸钆薄膜器件，红外发光量子效率可达4%和8%。采用相似的策略制备基于Er掺杂氧化钇和硅酸钇薄膜的MOS结构电致发光器件。制备了SiO2:Tb绿光MOSLED器件,量子效率大于10%，达到已报道的热氧化和离子注入法获得的同类硅基MOS电致发光器件的水平。在Tb2O3掺杂原子层旁精确定位生长Al2O3原子层进行共掺杂来局部微调稀土离子的周围环境，将激发的稀土离子数量提升了一倍，器件电致绿光发射的功率效率达0.15%。利用ALD方法在硅上制备出了高效率Al2O3:Tb MOSLED。设计稀土单原子层调制掺杂以及稀土硅酸盐多量子阱级联式电致发光器件，协同提高电致发光效率和电注入稳定性，复合共掺杂结构的MOSLED相较于单层介质结构的器件，其发光效率提高了35%。.上述研究工作为利用兼容微电子工艺的稀土氧化物和硅酸盐薄膜材料制备高效率红外电致发光器件，以及进一步研制硅基集成红外光源奠定了基础。