[发明专利]一种增强硅基铒掺杂ZnO薄膜电致发光的器件及制备方法

说明书

本发明公开了一种增强硅基铒掺杂ZnO薄膜电致发光的器件及制备方法，属于硅基光电子技术领域。所述器件，包括硅衬底，硅衬底正面依次设有发光层、透明电极层，硅衬底背面设有欧姆接触电极，所述硅衬底表面具有氧化硅层，所述发光层为锆、铒共掺杂的ZnO薄膜。本发明在带有～10nm SiO_x层的n⁺型硅片表面沉积锆、铒共掺杂ZnO薄膜，进而制备的电致发光器件有且仅有Er³⁺离子在可见和红外区的特征发光峰，相比于不掺锆只单掺Er的电致发光器件，本发明提出的共掺锆、铒器件的电致发光强度要增强5倍以上，增强方式简单便捷易操作，而且制备器件所用的方法与现行硅基CMOS工艺兼容。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种增强硅基铒掺杂ZnO薄膜电致发光的器件及制备方法。

背景技术

众所周知，随着CMOS工艺集成度的不断提高，集成电路中单位晶圆面积内的晶体管数量不断增加，晶体管特征线宽不断减小，器件性能提升的同时也带来很多问题，如器件整体功耗较大，各分立器件间相互干扰愈加严重，器件发热日趋严重等。这些问题已经成为限制电互连技术进一步发展的瓶颈，在可预见的未来，电互连技术将满足不了日益提升的处理超大数据量的需求，于是，光互联技术应运而生。经过几十年的发展，硅基光互连所需的其余产品如硅基光波导，硅基光探测器，硅基调制解调器等都已成熟，唯独缺少合适的硅基光源。稀土铒离子(Er³⁺)由于它特殊的类原子能级结构，其第一激发态(⁴I_13/2)到基态(⁴I_15/2)的跃迁(～0.803eV，～1540nm)刚好位于硅波导(石英光纤)的最小损耗窗口。但是想要做硅晶圆上的片上集成，Er³⁺的电致发光又是必须的。近年来，对Er³⁺掺杂的宽禁带半导体材料的电致发光如Er³⁺掺杂的ZnO，TiO₂，GaN的电致发光研究较为热门。其中，ZnO作为一种常见的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。此外，ZnO的导电能力适中，载流子的注入与传输较容易实现，因此非常适合做电致器件。

已有一些研究实现了基于Er掺杂ZnO的电致发光，杨扬等在p⁺-Si上沉积掺Er的ZnO薄膜，成功制备了ZnO:Er/p⁺-Si异质结器件(Yang Yang,Yunpeng Li,Luelue Xiang,Xiangyang Ma,and Deren Yang,Applied Physics Letters 102,181111(2013))，该器件在10V的正向驱动电压(p⁺-Si接正电压)下发出Er的特征发光峰；杨扬等还尝试在n⁺-Si上沉积ZnMgO/ZnO:Er多层结构，成功制备出了ZnMgO/ZnO:Er/n⁺-Si多层结构器件(YangYang,Yunpeng Li,Canxing Wang,Chen Zhu,Chunyan Lv,Xiangyang Ma,and Deren Yang,Adv.Optical Mater.2,240(2014))，该器件发光谱图中有且仅有Er相关的发光峰。然而从整体上来说，Er的电致发光强度依然较低，因此，亟需增强Er掺杂ZnO的电致发光。

有研究报道，将第三种离子掺入基体材料中，或可以增强Er的发光。如果通过共掺第三种离子可以调节Er³⁺周围的晶体场对称性，并且不破坏Er³⁺的光学活性，不影响基体材料的导电行为，从而增强Er的电致发光强度，共掺将是改进Er掺杂ZnO的电致发光器件的有效手段。但是，选择何种离子进行掺杂以及确定特定离子的有效掺杂浓度范围，这需要研究人员做进一步的探究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单便捷实现Er掺杂ZnO电致发光增强的器件。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：