原子層沉積方法制備稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光器件.pdf

1、硅基稀土摻雜的電致發(fā)光器件在硅集成光電子領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，原子層沉積(ALD)作為微電子?xùn)艑颖∧さ某练e技術(shù)，是制備薄膜電致發(fā)光器件的理想薄膜生長(zhǎng)技術(shù)。而完全基于原子層沉積技術(shù)制備的硅基稀土摻雜電致發(fā)光器件卻未見(jiàn)諸報(bào)道。本論文利用原子層沉積技術(shù)先后研制了SiO2、HfO2、Al2O3、Gd2O3、TiO2等寬禁帶絕緣薄膜、high-k薄膜、透明半導(dǎo)體薄膜。在此基礎(chǔ)上從原子層尺度精確配比構(gòu)建了光電性能可控的ZnO/Al2O3、TiO2

2、/Al2O3、稀土氧化物等摻雜納米層狀復(fù)合薄膜。然后制備了Gd摻雜的MOS電致發(fā)光器件，并研究了MOS器件的不同結(jié)構(gòu)對(duì)器件發(fā)光性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的影響。
　　 第一，我們?cè)诓皇褂妙~外增壓附件的情況下，利用Gd(THD)3和O3，通過(guò)調(diào)控釓源的溫度，釓源的脈沖長(zhǎng)度，以及襯底溫度生長(zhǎng)出了優(yōu)質(zhì)的氧化釓(Gd2O3)薄膜。這是制備稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光器件的基礎(chǔ)和必要條件。我們優(yōu)化了氧化釓薄膜的生長(zhǎng)條件，并研究了氧化釓薄膜在退火溫

3、度下的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)退火溫度在1000℃及以下時(shí)，薄膜為立方相，當(dāng)退火溫度達(dá)到1100℃時(shí)，氧化釓薄膜與Si襯底間形成了硅酸鹽;電學(xué)方面，600℃以下的退火能優(yōu)化薄膜的電學(xué)性質(zhì)。
　　 第二，我們利用原子層沉積技術(shù)制備了Al2O3、HfO2、TiO2、TiO2/Al2O3等多種柵介質(zhì)緩沖層，并研究其電學(xué)性質(zhì)，最終通過(guò)調(diào)控TiO2和Al2O3薄膜的厚度比和單個(gè)復(fù)合層薄膜的厚度，得到了既有一定的導(dǎo)電性又有一定介電性的T

4、iAlOx復(fù)合薄膜。高質(zhì)量的緩沖保護(hù)層的制備是實(shí)現(xiàn)稀土Gd摻雜SiO2薄膜電致發(fā)光非常重要的一步。在緩沖層的探究過(guò)程中我們得到如下的結(jié)論:
　　 1、氧源和退火溫度均對(duì)氧化鋁、氧化鉿薄膜的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。其中，用臭氧生長(zhǎng)的氧化鋁薄膜的電學(xué)性質(zhì)最好。用臭氧生長(zhǎng)的氧化鋁薄膜在600℃氮?dú)夥諊峦嘶鸷?，擊穿?chǎng)強(qiáng)增大到4.6×108V/m，介電常數(shù)增加到7.7，為下一步制備TiAlOx復(fù)合薄膜打下基礎(chǔ)。
　　 2、用臭氧生長(zhǎng)的

5、氧化鈦薄膜，生長(zhǎng)窗口在100到220℃之間，生長(zhǎng)速率為0.4(A)/cycle，當(dāng)生長(zhǎng)溫度為200℃時(shí)，氧化鈦薄膜開(kāi)始形成銳鈦礦結(jié)構(gòu)，并在500nm處開(kāi)始出現(xiàn)發(fā)光峰，當(dāng)生長(zhǎng)溫度為350℃時(shí)氧化鈦薄膜開(kāi)始形成金紅石相，銳鈦礦相減弱，500nm處的發(fā)光峰也隨之減弱。500nm處出現(xiàn)的發(fā)光峰與銳鈦礦結(jié)構(gòu)有關(guān)。用臭氧生長(zhǎng)的氧化鈦薄膜為下一步制備高質(zhì)量的TiAlOx復(fù)合薄膜提供了必要條件。
　　 3、在用ALD交替生長(zhǎng)氧化鈦和氧化鋁薄膜的

6、基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)控單個(gè)復(fù)合層中TiO2/Al2O3的比值和調(diào)控單個(gè)復(fù)合層的厚度兩種方式，探究合適的緩沖層。當(dāng)TiO2在復(fù)合層中的厚度比值為0.775，單個(gè)復(fù)合層的厚度為10nm時(shí)，TiO2/Al2O3復(fù)合薄膜的漏電流適中，且不出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，既具有了一定的導(dǎo)電性，又具有了一定的介電性。
　　 第三，我們完全基于原子層沉積技術(shù)制備了高質(zhì)量的發(fā)光層、緩沖層、透明導(dǎo)電電極，并在此基礎(chǔ)上，首次制備了完全基于原子層沉積的稀土Gd摻雜SiO2薄

7、膜電致發(fā)光器件Al/Si/SiO2∶Gd3+/TiAlOx/AZO（樣品1），并在50μA的注入電流下，成功觀察到了該器件在314nm處Gd離子的發(fā)光和在372nm、460nm處來(lái)自雜質(zhì)、缺陷的發(fā)光。
　　 第四，在樣品1的基礎(chǔ)上，我們重新設(shè)計(jì)并成功制備了不同的電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)Al/Si/SiO2∶Gd3+/HfO2/TiAlOx/AZO（樣品2）和Al/Si/SiO2∶Gd3+（加厚）/TiAlOx/AZO（樣品3），在這兩個(gè)