[发明专利]一种基于稀土掺杂TiO2薄膜的电致发光器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电致发光领域，尤其涉及一种基于稀土掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件及其制备方法。

背景技术

电致发光，又可称电场发光，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。

电致发光器件是以电致发光原理工作的，它由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜组成，利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能。

由于可以提供特定波长的不受温度影响的发光，基于稀土掺杂的宽禁带半导体材料的电致发光器件引起了广泛的关注。采用稀土掺杂的ZnS薄膜作为荧光体的薄膜电致发光器件(TFEL)一度引起了广泛的商用研究(参考文献：V.Marrello and A.Onton，Applied Physics Letters 34，525(1979)；Y.R.Do，Y.C.Kim，S.H.Cho，J.H.Ahn and J.G.Lee，Applied Physics Letters 82，4172(2003))。上述器件主要采用金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属的结构，电注入困难，工作电压较高。基于III-V族半导体的稀土掺杂发光器件也已进行较多研究(参考文献：Joo Han Kim，N.Shepherd，M.R.Davidson，and Paul H.Holloway，Applied Physics Letters 83，4279(2003)；D.S.Lee and A.J.Steckl，Applied Physics Letters 80，1888(2002))，但其制备对真空设备要求较高，体系工作电压高，且其中不可或缺的Ga和In面临着资源稀缺的限制。因此，探索其它具有资源优势、制备简单的稀土掺杂半导体发光器件具有重要的现实意义。

在TiO₂中存在多种缺陷，其中有些缺陷，如氧空位，可作为载流子福射复合的途径，成为发光中心。同时较低的声子能量(＜700cm^-1)使得TiO₂中电子非福射跃迁的几率较低，且易于实现载流子的注入和传输。申请号为200710070055.X的发明专利公开了一种电致发光器件及其制备方法，由硅衬底、自下往上依次在硅衬底正面沉积的TiO₂薄膜和ITO电极以及硅衬底背面沉积的欧姆接触电极组成，实现了硅衬底上的二氧化钛的电致发光。

有研究表明，已实现掺Tm、Er或Eu的TiO₂的光致发光，和基于能量传递的电致发光，但基于碰撞离化的高强度稀土掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件还未见诸报道。

对于常规的基于热载流子碰撞激发稀土发光中心的电致发光器件而言，需要高电场和相对很高的电压来激发器件发光，在已有的报道中，基于碰撞离化的电致发光器件的发光驱动电压在三十到二百多伏，驱动电压较高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于公开一种基于稀土掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件及其制备方法，本发明的电致发光器件是一种可在低电压(＜10V)下有效激发的基于碰撞激发稀土离子的发光器件。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于稀土掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件，包括硅衬底、发光层以及第一电极层和第二电极层，所述发光层为掺杂Tm、Er或Eu的TiO₂薄膜，其特征在于，所述硅衬底和发光层之间设有SiO₂薄膜。

本发明的基于稀土掺杂TiO₂薄膜的电致发光器件的电致发光是源自于碰撞激发机制。在这种情况下，发光层中的电子可以得到足够的能量来激发其中的RE³⁺离子(稀土离子)发光。

当第一电极层接正电压，而硅衬底背面的第二电极层接负电压时，由于SiO₂薄膜的电阻比TiO₂薄膜的电阻大，大部分施加在器件上的偏压降落在SiO₂薄膜上，当施加足够高的偏压时，电子通过隧穿机制从衬底注入到SiO₂薄膜中，并在SiO₂薄膜的电场中加速，一部分电子将得到足够高的动能成为所谓的“热电子”，随后，这部分热电子进入到TiO₂薄膜中并直接碰撞激发其中的RE³⁺离子，产生RE³⁺离子的特征发光。