硅基掺铒二氧化钛薄膜的电致发光

发布时间：2017-10-16 16:30

  本文关键词：硅基掺铒二氧化钛薄膜的电致发光

  更多相关文章： Er掺TiO_2薄膜 硅基 电致发光 SiO_x Ar等离子体

【摘要】：多年来,基于掺铒(Er)绝缘体或半导体的发光器件由于具有光通讯波段的～1540nm的发光被广泛研究。作为一种宽禁带半导体材料,TiO2已被证明是实现Er3+离子发光的合适基体。近年来,利用硅基掺Er的TiO2薄膜(TiO2:Er)的TiO2:Er/p+-Si异质结器件的电致发光已经实现。本文通过对TiO2:Er薄膜进行不同方式的处理,进一步地研究TiO2:Er/p+-Si异质结器件的电致发光及其机理,取得如下主要结果：(1)对比研究了基于550℃、650℃、750℃和850℃热处理的TiO2：Er薄膜的TiO2:Er/p+-Si异质结器件的电致发光。在足够高的正向偏压(即：p+-Si接正压)下,基于550℃和650℃热处理的TiO2:Er薄膜的器件产生与Er3+离子和TiO2基体中氧空位相关的电致发光,其中与Er3+离子相关的发光是以氧空位为敏化中心的从TiO2基体向Er3+离子传递的能量所激发的；而基于750℃和850℃热处理的TiO2:Er薄膜的器件则不发光；在足够高的反向偏压下,基于750℃和850℃热处理的TiO2:Er薄膜的器件产生仅与Er3+离子相关的电致发光,它是由热电子碰撞激发Er3+离子所致的；而基于550℃和650℃热处理的TiO2:Er薄膜的器件则不发光。分析指出：随着TiO2:Er薄膜的热处理温度的提高,在p+-Si和TiO2:Er薄膜之间形成的氧化硅(SiOx,x≤2)层越来越厚,从而改变了载流子在器件中的输运行为,从而导致不同的电致发光机制。(2)对比研究了经过Ar等离子体处理的和未处理的TiO2薄膜的光致发光以及基于这两种TiO2薄膜的TiO2/p+-Si异质结器件的电致发光。研究发现：TiO2薄膜经过由工作气压为3.5 Pa和放电功率为30 W所产生的Ar等离子处理后,在光致发光强度上比未处理的TiO2薄膜增加了两倍以上；并且,在相同电流下基于上述Ar等离子处理的TiO2薄膜的TiO2/p+-Si异质结器件在电致发光强度上也比基于未处理的TiO2薄膜的器件高出一倍以上。这是由于上述Ar等离子体处理使TiO2薄膜中的氧空位浓度提高,而TiO2的光致和电致发光都是由氧空位相关的束缚激子复合而产生的。(3)对比研究了Ar等离子体处理的和未处理的TiO2:Er薄膜的光致发光以及基于这两种TiO2:Er薄膜的TiO2:Er/p+-Si异质结器件的电致发光。这里,TiO2：Er薄膜的Ar等离子处理也是在工作气压为3.5 Pa和放电功率为30 W的条件下进行的。研究发现,TiO2:Er薄膜经过Ar等离子处理后,在光致发光强度上比未处理的TiO2:Er薄膜增加了一倍以上；并且,在相同电流下基于上述Ar等离子处理的TiO2:Er薄膜的TiO2:Er/p+-Si异质结器件在电致发光强度上也比基于未处理的TiO2:Er薄膜的器件高出一倍左右。这是由于上述Ar等离子体处理使TiO2:Er薄膜中的氧空位浓度提高,这一方面增强了TiO2基体的与氧空位相关的发光,另一方面增强了以氧空位为敏化中心的从TiO2基体向Er3+离子的能量传递,从而增强了与Er3+离子相关的发光。
【关键词】：Er掺TiO_2薄膜 硅基 电致发光 SiO_x Ar等离子体
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 前言12-14
• 第二章 文献综述14-34
• 2.1 引言14-15
• 2.2 稀土Er的基本性质、光学性能及应用15-17
• 2.2.1 稀土Er的基本性质15-16
• 2.2.2 稀土Er的光学性能及应用16-17
• 2.3 Er掺杂TiO_2基发光材料的研究进展17-34
• 2.3.1 TiO_2的基本性质及光学性能17-21
• 2.3.2 Er掺杂TiO_2基发光材料的研究进展21-34
• 第三章 材料和器件的制备及表征方法34-38
• 3.1 材料和器件的制备设备34-35
• 3.1.1 智能型磁控溅射设备34
• 3.1.2 薄膜热处理设备34
• 3.1.3 直流磁控溅射设备34
• 3.1.4 反应离子刻蚀机设备34-35
• 3.2 材料和器件的制备工艺35-36
• 3.2.1 硅衬底的准备35
• 3.2.2 发光层薄膜的制备35
• 3.2.3 发光层薄膜的热处理及氩等离子体处理35
• 3.2.4 器件电极的制备35-36
• 3.3 材料和器件的测试表征设备36-38
• 3.3.1 薄膜的形貌、结构及组成的表征设备36-37
• 3.3.2 器件的光学性能测试设备37
• 3.3.3 器件的电学性能测试设备37-38
• 第四章 基于经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的TiO_2：Er/p~+-Si异质结器件的电致发光38-54
• 4.1 引言38-39
• 4.2 经过不同温度热处理的Er掺杂TiO_2薄膜的制备39-40
• 4.3 基于不同Er含量的TiO_2:Er薄膜的PL和EL的对比40-41
• 4.4 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的表征41-47
• 4.4.1 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的XRD谱41
• 4.4.2 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的Raman光谱41-42
• 4.4.3 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的SEM形貌42-43
• 4.4.4 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的TEM图43-44
• 4.4.5 经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的PL谱44-47
• 4.5 基于经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的异质结器件的电致发光47-51
• 4.5.1 基于经过不同温度热处理的TiO_2:Er薄膜的异质结器件的Ⅳ曲线47
• 4.5.2 正向偏压下异质结器件的电致发光对比47-50
• 4.5.3 反向偏压下异质结器件的电致发光对比50-51
• 4.6 本章小结51-54
• 第五章 氩等离子体处理对TiO＿2/p~+-Si异质结器件的电致发光的影响54-60
• 5.1 引言54
• 5.2 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2薄膜的制备54-55
• 5.3 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2薄膜的表征55-58
• 5.3.1 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2薄膜的XRD谱55-56
• 5.3.2 未经过和经过心等离子体处理的TiO_2薄膜的Raman光谱56-57
• 5.3.3 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2薄膜的PL谱57-58
• 5.4 基于未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2薄膜的异质结器件的电致发光58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第六章 氩等离子体处理对TiO_2：Er/p~+-Si异质结器件的电致发光的影响60-72
• 6.1 引言60
• 6.2 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的制备60-61
• 6.3 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的表征61-67
• 6.3.1 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的XRD谱61-62
• 6.3.2 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的Raman光谱62-63
• 6.3.3 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的SEM图63-64
• 6.3.4 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的XPS图谱64-65
• 6.3.5 未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的PL谱65-67
• 6.4 基于未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的异质结器件的EL67-70
• 6.4.1 基于未经过和经过Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的异质结器件的EL对比67-68
• 6.4.2 基于不同功率的Ar等离子体处理的TiO_2:Er薄膜的异质结器件的EL的对比68-70
• 6.6 本章小结70-72
• 第七章 总结72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 个人简历82-84
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果84

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本文编号：1043749