掺铒富硅氧化硅发光器件电致发光衰减机制

张慧玉，赵静，郭强，刘海旭，丁文革

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

掺铒富硅氧化硅发光器件电致发光衰减机制

张慧玉，赵静，郭强，刘海旭，丁文革

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

首先采用多靶射频磁控共溅射结合后退火工艺制备了掺Er富硅氧化硅MIS(金属-绝缘体-半导体结构)电致发光器件，然后通过电致发光(EL)以及电流-电压(I-U)特性测量对发光器件的光电性能进行表征.最后，通过对比不同富硅含量的发光器件的载流子输运机制，并通过分析器件中的电荷俘获过程，对富硅氧化硅器件中铒离子电致发光的激发和猝灭机制进行了解释.结果表明：富硅的存在改变了MIS发光器件中的载流子输运过程，造成外加电场下注入的电子能量降低，进而降低Er离子发光中心的激发效率；而富硅引入的缺陷态会引起电荷俘获及俄歇效应，也会使得发光中心发生非辐射复合过程.

掺铒富硅氧化硅；电致发光；载流子输运；电荷俘获

近年来掺铒(Er)富硅氧化硅成为硅基发光材料和器件研究领域的前沿问题[1].经过退火等工艺形成并析出的纳米晶硅可将能量传递给Er3+离子1.54 μm的光致发光从而产生该波长发光的增强作用.这种发光敏化作用可以在集成光放大器和硅基发光器件的制备中得到广泛的应用[2-4]，而1.54 μm 波长对应于光纤材料的最小损耗窗口，使其对光纤通讯技术发展起到巨大的促进作用.为了拓展其应用范围并实现硅基光电集成，开发基于掺Er富硅氧化硅的电致发光器件具有重要意义[5-6].目前，掺铒电致发光器件已被人们广泛报道[7-8]，然而对其电致发光研究表明，纳米晶硅(nc-Si)会对Er3+离子的电致发光产生抑制作用[9]，而对其电致发光机制和发光猝灭的解释也尚不明确[10-11]，这表明需要建立相关的模型对该现象加以探讨.

本文以多靶射频磁控共溅射、后退火和光刻等工艺，制备出富硅和稀土Er3+离子共掺杂的SiOxMIS结构电致发光器件.通过稳态荧光光谱、I-U特性等测试手段对器件的光、电性质进行了表征，对器件电致发光、载流子输运和电荷俘获过程进行了分析，探讨了EL发光和衰减机制，为进一步完善MIS发光器件的结构和制备条件提供了实验方面的指导.

1 实验方法

电致发光器件制备：对3英寸的n型硅片表面进行RCA清洗，然后通过三靶磁控共溅射系统以SiO2、Er2O3和Si 3个靶材制备100 nm厚的掺Er富硅氧化硅层(SiOx:Er).发光活性层沉积完成后，进行1 100 ℃的后退火处理，形成并析出纳米晶硅并激活Er3+离子的发光活性.通过原子层沉积系统(Atomic layer deposition)生长70 nm厚的Al2O3high-K介质层，生长过程中以三甲基铝(TMA)和H2O作为气相反应源，生长温度为200 ℃.最后以溅射在器件正面和背面分别生长ITO透明导电电极和铝电极.实验中在保证其他实验参数相同条件下，改变SiOx:Er活性层中富Si的掺入量.其中Er的质量分数均为1.5%；而富Si质量分数分别为0%，2.5%和7%.通过对比分析不同掺富Si对电致发光性能的影响.

图1 MIS发光器件的结构示意Fig.1 Schematic diagram of the MIS-LED structure

器件的光电特性表征：通过FLS920荧光光谱仪测量掺铒富硅MIS发光器件(图1)的光致和电致发光，采用Keithley2410源表测量器件的I-U特性曲线.

2 结果与讨论

图2为样品的可见和红外波段的电致发光光谱，外加的注入电流密度为60 mA/cm2.由图2可知，掺Er而不含富Si的样品电致发光峰的峰值波长为380、410、437、475、522、550、658、1 533 nm，分别对应于稀土铒离子的4f电子壳层能级跃迁(2G11/2—4I15/2，2H9/2—4I15/2，(2F3/2+2F5/2)—4I15/2，2F7/2—4I15/2，2H11/2—4I15/2，2S3/2—4I15/2，4F9/2—4I15/2，4I13/2—4I15/2).而图2中质量分数为2.5%富Si和1.5%Er元素的样品的电致发光强度在可见波段无明显改变，而在红外波段有所下降.图2中7%富Si的样品在可见和红外波段均出现明显的光强降低.掺入富Si使得器件电致发光减弱，说明富Si的掺入以及纳米晶硅的存在对电致发光有猝灭作用.图2内嵌图a为显微镜中拍摄到的不含富Si样品电致发光照片，测试点为直径0.8 mm的圆形ITO电极区域.可以看到测试点在外加电压激发下发出绿色发光，而且整个区域发光均匀.值得注意的是，测试点在加压时Er的多条谱线被同时激发，光谱中也存在蓝光、红光以及1.5 μm波长的红外发光.而图2中内嵌图b为质量分数为7%富Si的样品发光照片，可以看到在相同的电流注入条件下，其电致发光显著减弱.

图3给出了含不同富Si的MIS-LED样品的电流密度-电压(I-U)特性曲线.由图3可知，样品SiOx层只掺Er时，具有较高的发光阈值电压，其发光主要为MOS结构中高场下注入到SiO2的导带热电子(Fowler-Nordheim)的碰撞激发模式.而由质量分数分别为2.5%和7%富Si的样品的I-U曲线可知，当掺入富Si的质量分数增大时，发光的阈值电压降低，其中质量分数为7%富Si的样品尤其明显(如图3中箭头所示).阈值电压的降低说明：由于纳米晶硅的形成，载流子传输过程中发生缺陷辅助跃迁的几率增加，输运机制由高场注入改变为缺陷辅助隧穿传导[12].发光活性层中的纳米晶硅使得注入电子时的势垒降低，注入电子无法在电场中加速并获得足够的能量，从而无法进入到SiO2的导带成为过热电子，造成Er发光中心碰撞激发效率降低.

λ/nm图2 不同富硅含量的MIS样品的电致发光光谱(内嵌图为含富硅质量分数分别为0和7%的发光器件的暗场发光照片)Fig.2 Electroluminescence spectra of different MOS samples with different excess Si in the devices(the inset shows the photographs of light emission images of devices with 0% and 7% excess Si)

U/V图3 不同富硅含量的MIS-LED的电流密度-电压(I-U)特性曲线Fig.3 Current density-voltage characteristics of the samples with different excess Si in the SiOx active layer of MIS-LED

基于以上分析，笔者提出了含有富Si时的MIS结构电致发光的机制，如图4a所示，图4a中以数字标出了不同的物理过程.在器件上外加电场时，载流子处于积累状态，但由于电子注入的势垒降低，电子和空穴通过纳米晶硅发生隧穿〈1〉，并在纳米硅中发生复合过程〈2〉，进而将能量传递给临近的Er发光中心〈3〉.Er发光中心获得的部分能量由于俄歇过程(Auger quenching)〈4〉，将激发富Si缺陷俘获的载流子，使其分别跃迁到导带或价带中的能级.剩余部分处于激发态的Er3+离子发生辐射跃迁〈5〉.

图4b为MIS电致发光器件中计算得到的电荷俘获量以及纳米晶硅的电致发光峰(700 nm)随着注入电荷量的变化，测量时保持恒定注入电流密度1 mA/cm2.由图4b可见，随着恒流注入，俘获的电子量不断增加并趋于饱和，而纳米晶硅的电致发光峰则不断衰减，电子俘获与EL的猝灭具有一致性.通过分析可知，存在纳米晶硅时，Er的电致发光猝灭机制为1)纳米晶硅改变了载流子输运机制，使得注入电子能量降低，发光中心激发效率下降； 2)俄歇效应，纳米晶硅激发后，通过非辐射复合将能量传递给被陷阱俘获的电荷，并将其激发到更高能级.

3 结论

本文研究了掺Er富硅氧化硅MIS-LED的电致发光光谱和I-U特性.通过分析其载流子输运机制，给出了不同富Si含量的掺铒MIS-LED的发光机制和衰减机制，解释了纳米晶硅引起器件EL猝灭的原因.结果表明MIS结构中的纳米晶硅会引起载流子的缺陷辅助隧穿，进而降低注入的载流子能量，使得Er3+离子的激发效率降低.另外，掺入富Si会在MIS发光器件中引入缺陷，其所俘获的电荷会引起俄歇效应，进而使得Er3+离子的EL猝灭.

图4 a.含富硅的MIS样品的能带结构示意;b.电致发光衰减和电荷俘获量的关系Fig.4 a. Band diagram of MIS samples with excess Si content in the SiOx layer；b. the relationship between EL decay and trapped charge

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(责任编辑：孟素兰)

Decay mechanism of the erbium-doped silicon-rich silicon oxide electroluminescence device

ZHANG Huiyu, ZHAO Jing, GUO Qiang,LIU Haixu, DING Wenge

(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)

The metal insulator semicsnductor light emitting diod (MIS-LED) with the erbium-doped silicom-rich silicom oxide was fabricated by radio frequency co-sputtering combined with post-annealing technique.The luminescence and electrical properties of the device were characterized by electroluminescence (EL) spectra and current-voltage measurement.Carrier transport and charge trapping mechanisms of the LEDs with different excess silicon content were investigated.Excitation and quenching mechanisms of the electroluminescence from erbium ions in the device were also studied and explained.The results indicated that, with the excess silicon in the MIS-LEDs, the conduction of carriers transform from Fowler-Nordheim tunneling to hopping conduction and the quenching of the EL can be attributed to the energy reduction of the injected electrons and the lowered excitation efficiency of the erbium ions.In addition, the Auger effect induced by charge trapping would also account for the nonradiative recombination processes.

Erbium-doped silicon-rich oxide; electroluminescence; carrier transport; charge trapping

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.04.005

2017-01-05

河北省科技计划项目(13214315)；河北省高校科学技术研究项目(QN20131115)；教育部博士点基金资助项目(20131301120003)

张慧玉(1993—)，女，河北保定人，河北大学在读研究生,主要从事新能源光电功能材料研究. E-mail：851589084@qq.com

刘海旭(1982—)，男，河北保定人，河北大学讲师，博士，主要从事光电功能材料研究. E-mail：liuchen665@163.com

O469

A

1000-1565(2017)04-0360-04