CN105336820B - 一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电器件领域，涉及一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法，具体为一种Au/MgO/CdZnO/SiMIS结构的紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法。该器件包括衬底，衬底正面自下而上依次沉积有CdZnO薄膜、MgO薄膜和Au电极，衬底背面沉积欧姆接触电极。本发明器件利用对溅射的CdZnO薄膜进行热处理，得到ZnO及CdZnO共存的薄膜发光层，在一定的正向偏压下(衬底接负电压)，该薄膜能够发出位于紫外、可见区的电致发光。而且器件的结构和实现方式简单，制备工艺及所用的设备与现行成熟的硅器件工艺兼容。
Description
技术领域
本发明属于光电器件领域，涉及一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法，具体为一种Au/MgO/CdZnO/Si MIS结构的紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种重要的直接宽禁带半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37ev。由于其原料丰富、成本低廉，无毒无污染，具有较高的室温激子束缚能(约60meV)，被认为是有可能取代氮化镓(GaN)的新一代短波长发光材料。在半导体照明、平面显示和紫外光探测等领域有着诱人的应用前景。
近年来，随着紫外、白光LED技术的发展，人们对紫外、可见区电致发光器件的需求日趋迫切，使得ZnO的相关研究受到了越来越多的关注。然而，ZnO的本征禁带宽度，决定了它的发光位于紫外区，若想拓展其发光波长范围至可见光区，则必须对其进行掺杂改性。因此，研究者对ZnO体系中的CdZnO薄膜也开展了大量研究，研究发现通过调节CdZnO薄膜中的Cd含量,可以有效地将CdZnO薄膜的发光波长调节至可见光区。(J.A.Van Vechten andT.K.Bergstresser,Phys.Rev.B.1,3351(1970))。
目前，研究者已经通过多种结构设计，实现了基于ZnO以及CdZnO薄膜的电致发光器件，其发光波长可从紫外调节至可见光区(L.Li,Z.Yang,J.Y.Kong,and J.L.Liu，Appl.Phys.Lett.95,232117(2009))。然而目前制备出的ZnO基器件只能产生单一波长的电致发光，即，只能产生可见光或只能产生紫外光。如果能实现紫外、可见区的多波长同时发光，无疑会大大拓展ZnO基电致发光器件的应用范围，若想实现这一目标，现有的手段只能将多种ZnO基发光层材料进行叠加，例如在ZnO薄膜上制备CdZnO材料，或者在CdZnO薄膜上制备ZnO材料。这便大大加重了器件的制备难度，因为多种发光层材料的叠加，在能级匹配和结构设计上都无疑大大增加了制备难度。同时这样也影响了器件的发光效率，因为处于底层的发光材料发出的光在穿透上层发光层时效率会大大降低。如何能利用单一的发光层材料，实现ZnO基薄膜在紫外及可见光区的同时电致发光，是亟需解决的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够使ZnO基薄膜在紫外及可见光区的同时电致发光的紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法。本发明的技术解决方案是，(1)采用溅射法在衬底上沉积CdZnO薄膜，其中沉积CdZnO薄膜所用的靶材为CdZnO陶瓷靶，CdZnO陶瓷靶中Cd掺杂量以摩尔含量计为60％，衬底加热温度为400～500℃，溅射功率为120W，溅射时间为1小时，气压为4Pa，随后将薄膜放入惰性气氛保护下的管式炉中进行热处理，热处理的温度为600～800℃，热处理的时间为10～60分钟，所述的衬底为N型硅片；
(2)采用溶胶-凝胶法在CdZnO薄膜上制备MgO薄膜，随后对CdZnO/MgO薄膜进行加热处理，加热处理温度为300～400℃，加热处理时间为1～2小时；
(3)采用溅射法在CdZnO/MgO薄膜的MgO薄膜面上沉积半透明Au电极，在衬底背面沉积欧姆接触电极。
所述的衬底为电阻率为0.005～50欧姆·厘米的N型硅片。
利用本发明方法制备的电致发光器件具有如下优点：
1.本发明利用简单的溅射和后续热处理工艺在制备的CdZnO薄膜中产生大量ZnO的弥散相，即得到ZnO/CdZnO有效复合的薄膜发光层，在一定的正向偏压下(衬底接负电压)，从而实现氧化锌基材料的紫外、可见区的同时电致发光。
2.本发明不需要复杂的制备及热处理设备，工艺参数简单，易于实现。
3.本发明制备的电致发光器件稳定性好，可重复性高。
4.本发明制备工艺所用的设备与现行成熟的硅器件工艺兼容，对衬底形状和薄膜沉积尺寸无特殊要求，可方便实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明器件的结构示意图；
图2是本发明实施例1的电致发光器件在不同正向电流下获得的电致发光(EL)谱；
图3是本发明实施例2的电致发光器件在不同正向电流下获得的电致发光(EL)谱。
具体实施方式
本发明的紫外及可见并存的电致发光器件，包括衬底，衬底正面自下而上依次沉积有CdZnO薄膜、MgO薄膜和Au电极，衬底背面沉积欧姆接触电极。
所述的衬底为电阻率为0.005～50欧姆·厘米的N型硅片。
本发明提供了上述电致发光器件的制备方法，包括：
(1)采用溅射法在衬底上沉积CdZnO薄膜，其中沉积CdZnO薄膜所用的靶材为CdZnO陶瓷靶，CdZnO陶瓷靶中Cd掺杂量以摩尔含量计为60％，衬底加热温度为400～500℃，溅射功率为120W，溅射时间为1小时，气压为4Pa。随后将薄膜放入惰性气氛保护下的管式炉中进行热处理，热处理的温度为600～800℃，热处理的时间为10～60分钟；
(2)采用溶胶-凝胶法在CdZnO薄膜上制备MgO薄膜，随后对薄膜进行加热处理，加热处理温度为300～400℃，加热处理时间为1～2小时。；
(3)采用溅射法在MgO薄膜上沉积半透明Au电极，在衬底背面沉积欧姆接触电极。
如图1，一种电致发光器件，包括衬底1，衬底1正面自下而上依次沉积有CdZnO薄膜2、MgO薄膜3、和半透明Au电极4，衬底1背面沉积有欧姆接触电极5。衬底选用硅片，电阻率一般为0.005～50欧姆·厘米。实施例1和实施例2制备了上述结构的器件，具体如下：
实施例1
1)清洗N型<100>,电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的硅片；
2)利用射频溅射在Si衬底上沉积CdZnO薄膜，衬底温度为400℃；溅射功率为120W，Ar，O2的流量分别为30：15，气压4Pa，溅射1小时，厚度约400nm。沉积后在N2气氛下在管式炉中进行600℃热处理1小时；
3)在CdZnO薄膜上旋涂一层MgO薄膜，100℃烘干10分钟，在空气下300℃热处理2小时；
4)在MgO膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极4，而在硅衬底背面上溅射约100nm厚的Au电极(欧姆接触电极5)。溅射功率为45W，Ar流量为20，气压5Pa，衬底温度为150℃。正面电极溅射30秒，背面电极溅射3分钟。
图2给出了通过上述方法获得的器件在室温下测得的不同注入电流下的电致发光(EL)谱，此时MgO薄膜上的Au电极接正，Si衬底背面的Au电极接负。从图中可以看到，器件在紫外区域，可见光区域均出现了明显的发光峰，并且随着注入电流的增大，电致发光的强度也随之增大。这说明器件在紫外、可见区同时产生了电致发光。
实施例2
1)清洗N型<100>,电阻率为50欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的硅片；
2)利用射频溅射在Si衬底上沉积CdZnO薄膜，衬底温度为500℃；溅射功率为120W，Ar，O2的流量分别为30：15，气压4Pa，溅射1小时，厚度约400nm。沉积后在N2气氛下在管式炉中进行800℃热处理10分钟；
3)在CdZnO薄膜上旋涂一层MgO薄膜，100℃烘干10分钟，在空气下400℃热处理1小时；
4)在MgO膜上溅射约20nm厚的半透明Au电极4，而在硅衬底背面上溅射约100nm厚的Au电极(欧姆接触电极5)。溅射功率为45W，Ar流量为20，气压5Pa，衬底温度为150℃。正面电极溅射30秒，背面电极溅射3分钟。
图3给出了通过上述方法获得的器件在室温下测得的不同注入电流下的电致发光(EL)谱，此时MgO薄膜上的Au电极接正，Si衬底背面的Au电极接负。从图中可以看到，器件在紫外区域，可见光区域均出现了明显的发光峰，并且随着注入电流的增大，电致发光的强度也随之增大。这说明器件在紫外、可见区同时产生了电致发光。
Claims (2)
1.一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法，包括：
(1)采用溅射法在衬底上沉积CdZnO薄膜，其中沉积CdZnO薄膜所用的靶材为CdZnO陶瓷靶，CdZnO陶瓷靶中Cd掺杂量以摩尔含量计为60％，衬底加热温度为400～500℃，溅射功率为120W，溅射时间为1小时，气压为4Pa，随后将薄膜放入惰性气氛保护下的管式炉中进行热处理，热处理的温度为600～800℃，热处理的时间为10～60分钟，所述的衬底为N型硅片；
(2)采用溶胶-凝胶法在CdZnO薄膜上制备MgO薄膜，随后对CdZnO/MgO薄膜进行加热处理，加热处理温度为300～400℃，加热处理时间为1～2小时；
(3)采用溅射法在CdZnO/MgO薄膜的MgO薄膜面上沉积半透明Au电极，在衬底背面沉积欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的一种紫外及可见并存的电致发光器件的制备方法，其特征在于，所述的衬底为电阻率为0.005～50欧姆·厘米的N型硅片。
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