專利名稱：一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電致發(fā)光器件，尤其涉及一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件及制備方法。
背景技術(shù)：
由于光電技術(shù)的發(fā)展，對紫外、可見區(qū)的短波長光電器件的需求，使得ZnO材料受到了越來越多的關(guān)注。ZnO為寬禁帶直接帶隙半導體，室溫下禁帶寬度為3. 36eV，激子結(jié)合能為60meV，因此室溫下不易被熱激發(fā)，具備室溫下發(fā)射短波長光的必要條件。近來研究表明，ZnO由于具有合適的禁帶寬度、豐富的本征缺陷和離子易摻雜的特點而具有高場電致發(fā)光性能，且其材料來源豐富、價格低廉、制備溫度較低、化學穩(wěn)定性好、導電性能好，具有其它電致發(fā)光氧化物所不具有的優(yōu)點。作為ZnO體系中的重要一員，CdZnO薄膜通過調(diào)節(jié)Cd的含量，可以有效地將CdZnO 薄膜的發(fā)光波長調(diào)節(jié)至可見光區(qū)(J. A. Van Vechten and T. K. Bergstresser, Phys. Rev. B. 1,3351 (1970)).如果能夠利用CdZnO薄膜實現(xiàn)在可見區(qū)的電致發(fā)光，無疑具有積極的現(xiàn)實意義。同時，硅是一種重要的半導體材料，然而由于其是間接帶隙半導體，不能直接用來制備發(fā)光器件。目前，人們正在致力于實現(xiàn)硅基光電集成，其中最關(guān)鍵是實現(xiàn)硅基發(fā)光。顯然，如果能實現(xiàn)硅基CdZnO薄膜的可見電致發(fā)光器件，無疑有廣闊的應用前景。目前對于硅基CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件報道還很少。其主要瓶頸在于，一方面 CdO在CdO-ZnO合金系統(tǒng)中的固溶度很低(在熱平衡狀態(tài)下大約只有2mol%)，所以很難利用簡單的設備制備出高Cd含量的CdZnO薄膜。另一方面Cd較低的熔沸點又使得制備基于高Cd濃度摻雜的CdZnO薄膜電致發(fā)光器件變得十分困難。2007 年 A. Nakamura 等人利用 RPE-M0CVD 的方法制備了 n-ZnO/n-MgZnO/ ZnCdO/p-SiC結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件，實現(xiàn)了 ZnCdO薄膜在可見區(qū)的發(fā)光(A. Nakamura, T. Ohashi, K. Yamamoto, J. Ishihara, T. Aoki, J. Temmyo and H. Gotoh, " Full-color electroluminescence from ZnO-based heterojunction diodes" , Appl. Phys. Lett.90, 093512 (2007))。2008年J. W. Mares等人利用等離子體輔助MBE的方法制備了 GaN/ CdZnO復合量子阱結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件，其器件的發(fā)光波長位于390 415nm(J. ff. Mares, M. Falanga, A. V. Thompson, A. Osinsky, J. Q. Xie, B. Hertog, A. Dabiran, P. P. Chow, S. Karpov and ff.V. Schoenfeld, " Hybrid CdZnO/GaN quantum-well light emitting diodes", J. Appl. Phys. 104,093107(2008)) o 2009 年 J. L. Liu 等人利用等離子體輔助 MBE 的方法制備了 p-ZnO/i-CdZn0/n-Zn0結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件,其發(fā)光波長位于466nm(L. Li, Z. Yang, J. Y. Kong，andJ. L. Liu, Appl. Phys. Lett. 95，232117 (2009))。然而，以上器件均存在結(jié)構(gòu)復雜，開啟電壓較大，對設備要求高，制備周期長等問題。如何利用簡單的設備制備出低開啟電壓的硅基CdZnO薄膜的可見電致發(fā)光器件，是亟需解決的一個難題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件，結(jié)構(gòu)簡單，開啟電壓低，能夠?qū)崿F(xiàn)在可見區(qū)的電致發(fā)光?！N基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件,包括P型娃襯底，所述的P型娃襯底正面自下而上依次沉積有絕緣層、發(fā)光層和電極層，P型硅襯底背面沉積有歐姆接觸電極；所述的發(fā)光層為CdZnO薄膜。所述的電致發(fā)光器件以P型硅襯底作為空穴提供體，CdZnO薄膜作為電子提供體， 中間的絕緣層能夠有效降低器件的工作電流；摻雜有合適量Cd的CdZnO薄膜可通過近帶邊和缺陷的自發(fā)輻射復合發(fā)出可見區(qū)光。所述的P型硅襯底采用重摻P型硅片，可以有效地為器件提供空穴。所述的重摻P型硅片的電阻率優(yōu)選為O. 01 I歐姆·厘米；更優(yōu)選為O. 01歐姆 厘米。電阻率過高的P型硅片空穴注入少，會降低器件的發(fā)光效率；電阻率更低的P型硅片以現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝還很難實現(xiàn)。該電阻率條件的P型硅片不僅制備方便，而且制得的器件發(fā)光效率較高。所述的P型硅襯底采用普通厚度的重摻P型硅片即可，其厚度優(yōu)選為400 700 μ m。對于電致發(fā)光器件，過高的工作電流會使器件發(fā)熱，降低器件的發(fā)光壽命；過低的工作電流會影響器件的發(fā)光效率。所述的絕緣層能夠有效調(diào)節(jié)器件的工作電流。所述的絕緣層可以為MgO薄膜或SiO2薄膜；優(yōu)選為MgO薄膜。MgO薄膜或SiO2薄膜可以阻擋電子、有效降低器件的工作電流。所述的MgO薄膜或SiO2薄膜的厚度優(yōu)選為30 60nm。薄膜厚度會影響其電阻效果，厚度越大，器件的工作電流越小。在優(yōu)選的厚度條件下，所制得的器件工作電流合適。所述的CdZnO薄膜的厚度優(yōu)選為60 200nm,能形成合適厚度的發(fā)光層。所述的電極層可以為半透明Au電極；半透明Au電極的厚度優(yōu)選為20 40nm。采用半透明Au電極，發(fā)光層發(fā)出的光能順利透射出來；另外，該層厚度過大不利于出光，選取該厚度條件，出光效果最好。所述的歐姆接觸電極可以為Au電極，厚度優(yōu)選為100 200nm。本發(fā)明還提供了一種上述電致發(fā)光器件的制備方法，采用該方法，各層薄膜生長可在單一腔體內(nèi)一次性完成，工藝簡單，制備周期短，對設備要求不高，與現(xiàn)行成熟的硅器件工藝兼容。通過該方法制得的電致發(fā)光器件，可以實現(xiàn)CdZnO薄膜在可見區(qū)的電致發(fā)光。所述的制備方法包括(I)采用濺射法在P型硅襯底上沉積絕緣層；(2)采用濺射法在絕緣層上沉積CdZnO薄膜，再在惰性氣體氣氛下進行快速熱處理；(3)采用濺射法在CdZnO薄膜上沉積電極層，在P型硅襯底背面沉積歐姆接觸電極。步驟(I)中，沉積絕緣層時P型硅襯底的溫度優(yōu)選為200 400°C ;更優(yōu)選為 300°C。該溫度的襯底利于絕緣層的沉積，同時不會浪費能耗。為了提高絕緣層的質(zhì)量和穩(wěn)定性，沉積絕緣層后進行加熱處理，加熱處理溫度為 400 500°C，加熱處理時間為I 2小時。通過該條件的加熱處理，可以有效去除絕緣層內(nèi)的缺陷。步驟(2)中，沉積CdZnO薄膜時P型硅襯底的溫度優(yōu)選為400 700°C ;更優(yōu)選為 600°C。過低的襯底溫度不能為Cd原子的摻雜提供足夠的激活能，而過高的襯底溫度會導致Cd從已制備的薄膜中再次揮發(fā)。沉積CdZnO薄膜所用的靶材可以為CdZnO陶瓷靶，CdZnO陶瓷靶中Cd摻雜量以摩爾含量計優(yōu)選為20%。CdZnO陶瓷靶可以采用市售商品；合適Cd摻雜量的CdZnO陶瓷靶能制得Cd含量合適的CdZnO薄膜。所述的惰性氣體可以為氬氣或氮氣。熱處理過程中，若環(huán)境中存在氧氣，則其會吸附在薄膜上，使發(fā)光變?nèi)?；在惰性氣體保護下進行熱處理，所制得的器件發(fā)光效果較好。未經(jīng)高溫處理的CdZnO薄膜缺陷較多，發(fā)光較弱；常規(guī)的加熱工藝處理時間較長， 容易引起CdZnO的分相或Cd的揮發(fā)；而通過所述的快速熱處理(RTP)，能夠減少CdZnO的分相或CM的揮發(fā)?？焖贌崽幚砉に囍械纳郎厮俾?、最高溫度及維持時間等因素會影響發(fā)光層的發(fā)光波長和發(fā)光效果。優(yōu)選地，所述快速熱處理的升溫速率為10 100°C /S，快速熱處理的最高溫度為800 900°C，在最高溫度下維持的時間為I 200s。采用該快速熱處理條件，能有效減少CdZnO薄膜的分相，并使近帶邊發(fā)光增強；同時，還能有效縮短制作時間、降低熱預算。本發(fā)明采用重摻P型硅片為襯底，以CdZnO薄膜為主要發(fā)光材料，結(jié)合絕緣層、電極層等，通過合適的工藝制備獲得了 CdZnO/絕緣層/p+-Si結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光器件，在一定的正向偏壓下能夠發(fā)出位于可見區(qū)的電致發(fā)光。采用本發(fā)明方法，具有如下有益效果(I)制備工藝簡單，制備周期短，對設備要求不高，與現(xiàn)行成熟的硅器件工藝兼容。 器件的各層薄膜生長可以在單一腔體內(nèi)一次性完成，有效降低了多次出腔帶來的表面沾污。(2)由于對CdZnO薄膜進行了惰性氣體氣氛下的快速熱處理，CdZnO薄膜發(fā)光層基本沒有發(fā)生明顯的分相且Cd揮發(fā)少，使CdZnO薄膜在一定的正向偏壓下(襯底接正電壓)， 實現(xiàn)緣于近帶邊和缺陷的自發(fā)輻射復合發(fā)光。(3)所制得的電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)簡單，開啟電壓低，能夠?qū)崿F(xiàn)在可見區(qū)的電致發(fā)光，且發(fā)光效率高。


圖I為本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為ZnO薄膜和CdZnO薄膜分別經(jīng)氬氣下800°C RTP熱處理后的室溫PL譜；圖3為本發(fā)明實施例I器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，即CdZnO/MgO/p+_Si 結(jié)構(gòu)器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，其中CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下800°C RTP熱處理。圖4為ZnO薄膜和CdZnO薄膜分別經(jīng)氬氣下900°C RTP熱處理后的室溫PL譜；圖5為本發(fā)明實施例2器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，即CdZnO/MgO/p+_Si 結(jié)構(gòu)器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，其中CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下900°C RTP熱處理。
具體實施例方式如圖I，一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件，包括P型硅襯底I，P型硅襯底I正面自下而上依次沉積有MgO薄膜2、CdZnO薄膜3和半透明Au電極4，P型硅襯底I背面沉積有歐姆接觸電極5。襯底選用P型硅片，電阻率一般為O. 01 I歐姆 厘米。實施例1-2制備了上述結(jié)構(gòu)的器件，具體如下實施例II)清洗P型〈100〉，電阻率為O. 01歐姆 厘米、大小為15X 15mm2、厚度為675 μ m
的硅片。2)利用射頻濺射在Si襯底上沉積MgO薄膜，襯底溫度為300°C，濺射功率為100W， Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓為3Pa，濺射時間I小時，薄膜厚度約60nm ;在空氣下 500°C熱處理I小時。3)利用射頻濺射在Si襯底上沉積CdZnO薄膜，靶材為Cd摻雜含量20atom%的 CdZnO陶瓷靶，襯底溫度為600°C，濺射功率為100W，Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓為 3. 5Pa，濺射時間I小時，薄膜厚度約120nm ;沉積后在Ar氣氛下經(jīng)過800°C RTP熱處理，處理時間為I分鐘。4)在CdZnO膜上派射約20nm厚的半透明Au電極,而在娃襯底背面上派射約IOOnm 厚的Au電極(歐姆接觸電極5);濺射功率為45W，Ar流量為20，氣壓10Pa，襯底溫度為 150°C ;正面電極濺射30秒，背面電極濺射3分鐘。圖2給出了 CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下800°C RTP熱處理后的室溫PL譜。從圖中可以看出，CdZnO薄膜在可見光區(qū)產(chǎn)生了單一的近帶邊福射發(fā)光峰,其發(fā)光峰位于約490nm。相對于未經(jīng)摻雜的ZnO薄膜，其PL發(fā)光峰發(fā)生了明顯的紅移，這說明形成了較高Cd組分摻雜的 CdZnO薄膜。圖3為實施例I的器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，即CdZnO/MgO/p+-Si結(jié)構(gòu)器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，其中CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下800°C RTP熱處理，此時 CdZnO薄膜上的Au電極接負，Si襯底背面的Au電極接正。從圖中可以看到，在4V的正向偏壓下，器件在可見光區(qū)域出現(xiàn)了明顯的發(fā)光峰，其發(fā)光峰帶的中心波長約在520nm。隨著施加偏壓的增大，發(fā)光峰的強度也隨之明顯增大。此時的發(fā)光為CdZnO薄膜的近帶邊及缺陷福射復合發(fā)光。實施例2I)清洗P型〈100〉，電阻率為O. 01歐姆 厘米、大小為15X 15mm2、厚度為675 μ m
的硅片。 2)利用射頻濺射在Si襯底上沉積MgO薄膜，襯底溫度為300°C，濺射功率為100W， Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓為3Pa，濺射時間I小時，薄膜厚度約60nm ;在空氣下 500°C熱處理I小時。3)利用射頻濺射在Si襯底上沉積CdZnO薄膜，靶材為Cd摻雜含量20atom%的 CdZnO陶瓷靶，襯底溫度為600°C，濺射功率為100W，Ar，O2的流量分別為30 15，氣壓為
3.5Pa，濺射時間I小時，薄膜厚度約120nm ;沉積后在Ar氣氛下經(jīng)過900°C RTP熱處理，處理時間為I分鐘。
4)在CdZnO膜上派射約20nm厚的半透明Au電極,而在娃襯底背面上派射約IOOnm 厚的Au電極(歐姆接觸電極5);濺射功率為45W，Ar流量為20，氣壓10Pa，襯底溫度為 150°C ;正面電極濺射30秒，背面電極濺射3分鐘。圖4給出了 CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下900°C RTP熱處理后的室溫PL譜。從圖中可以看出，CdZnO薄膜在可見光區(qū)產(chǎn)生了單一的近帶邊福射發(fā)光峰,其發(fā)光峰位于約426nm。相對于未經(jīng)摻雜的ZnO薄膜，其PL發(fā)光峰發(fā)生了明顯的紅移，這說明形成了較高Cd組分摻雜的 CdZnO薄膜。圖5為實施例2的器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，即CdZnO/MgO/p+_Si結(jié)構(gòu)器件在不同正向偏壓下的室溫EL譜，其中CdZnO薄膜經(jīng)氬氣下900°C RTP熱處理，此時 CdZnO薄膜上的Au電極接負，Si襯底背面的Au電極接正。從圖中可以看到，在4V的正向偏壓下，器件在可見光區(qū)域出現(xiàn)了明顯的發(fā)光峰，其發(fā)光峰帶的中心波長約在540nm。隨著施加偏壓的增大，發(fā)光峰的強度也隨之明顯增大。此時的發(fā)光為CdZnO薄膜的近帶邊及缺陷福射復合發(fā)光。
權(quán)利要求
1.一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件，包括P型硅襯底，其特征在于，所述的P型硅襯底正面自下而上依次沉積有絕緣層、發(fā)光層和電極層，P型硅襯底背面沉積有歐姆接觸電極；所述的發(fā)光層為CdZnO薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電致發(fā)光器件，其特征在于，所述的P型硅襯底采用重摻P型硅片，重摻P型硅片的電阻率為O. 01 I歐姆·厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電致發(fā)光器件，其特征在于，所述的絕緣層為MgO薄膜或SiO2 薄膜；絕緣層的厚度為30 60nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電致發(fā)光器件，其特征在于，所述的CdZnO薄膜的厚度為 60 200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電致發(fā)光器件，其特征在于，所述的電極層為半透明Au電極; 半透明Au電極的厚度為20 40nm。
6.一種如權(quán)利要求I所述的電致發(fā)光器件的制備方法，包括(1)采用濺射法在P型硅襯底上沉積絕緣層；(2)采用濺射法在絕緣層上沉積CdZnO薄膜，再在惰性氣體氣氛下進行快速熱處理；(3)采用濺射法在CdZnO薄膜上沉積電極層，在P型硅襯底背面沉積歐姆接觸電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，沉積絕緣層后進行加熱處理，加熱處理溫度為400 500°C，加熱處理時間為I 2小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟⑵中，沉積CdZnO薄膜時P型硅襯底的溫度為400 700°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，沉積CdZnO薄膜所用的靶材為CdZnO陶瓷靶，CdZnO陶瓷靶中Cd摻雜量以摩爾含量計為20%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟⑵中，所述快速熱處理的升溫速率為10 100°C /S，快速熱處理的最高溫度為800 900°C，在最高溫度下維持的時間為 I 200s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CdZnO薄膜的電致發(fā)光器件及制備方法，該電致發(fā)光器件包括P型硅襯底，所述的P型硅襯底正面自下而上依次沉積有絕緣層、發(fā)光層和電極層，P型硅襯底背面沉積有歐姆接觸電極；所述的發(fā)光層為CdZnO薄膜。本發(fā)明采用P型硅片為襯底，以CdZnO薄膜為主要發(fā)光材料，結(jié)合絕緣層、電極層等，通過合適的工藝制備獲得了CdZnO/絕緣層/p+-Si結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光器件。本發(fā)明方法工藝簡單，制備周期短，對設備要求不高，與現(xiàn)行成熟的硅器件工藝兼容；所制得的電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)簡單，開啟電壓低，在一定的正向偏壓下能夠?qū)崿F(xiàn)在可見區(qū)的電致發(fā)光，且發(fā)光效率高。
文檔編號H01L33/28GK102610724SQ20121009451
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者楊德仁, 田野, 馬向陽 申請人:浙江大學