稀土掺杂ZnO薄膜:实现三基色和近红外电致发光的材料平台

过去几十年来,基于稀土掺杂的以ZnS为代表的宽禁带半导体薄膜的电致发光得到了广泛的研究。在以往的电致发光器件中,以热电子碰撞激发稀土离子电致发光的驱动电压通常在几十伏乃至两百多伏以上,其根本原因在于热电子的形成与稀土离子的碰撞激发都在稀土掺杂的半导体薄膜中进行。众所周知,硅是最重要的半导体材料,是信息产业的基石。然而,硅是间接禁带半导体而不能高效发光,这严重制约了硅基光电集成的发展进程。近二十年来,人们为实现硅基发光提出了多种途径。其中,硅基稀土掺杂宽禁带半导体薄膜的电致发光是一条重要途径。需要指出的是,为了满足硅基光电集成的需要,必须实现低电压驱动的稀土掺杂半导体薄膜的电致发光。在这种情况下,采用传统的稀土掺杂宽禁带半导体薄膜器件来实现硅基发光已不能满足需要。

最近,浙江大学硅材料国家重点实验室和材料科学与工程系杨德仁教授和马向阳教授及其研究团队提出将热载流子产生层与碰撞激发稀土离子发光层在空间上加以分离的器件设计思路,以全新而简单的器件结构成功地实现了低电压驱动的硅基稀土掺杂ZnO(ZnO:RE)薄膜的三基色和近红外波段的电致发光,其启动电压仅为5V左右,这是到目前为止国际上报道的碰撞激发稀土离子电致发光的最低驱动电压。在他们的工作中,以硅基ZnO:RE薄膜作为发光层,其上生长禁带宽度更大MgxZn1-xO层作为热载流子产生层,并以半透明Au薄膜作为电极和出光面。分别采用ZnO:Eu、ZnO:Er和ZnO:Tm薄膜作为发光层,实现了红、绿和蓝三基色电致发光。此外,分别利用ZnO:Nd和ZnO:Er薄膜作为发光层还实现了中心波长为~0.91 μm、~1.09 μm和~1.54 μm 的近红外电致发光。分析指出,在器件上施加足够高的正向偏压(即:半透明Au电极接正压)时,空穴从Au电极注入到MgxZn1-xO层中并被电场加速,相当一部分空穴因获得足够高的动能而成为“热空穴”,随后进入到ZnO:RE层中直接碰撞激发RE3+离子而产生特征发光。上述工作为实现硅基发光器件提供了一条崭新的途径。此外,将热载流子产生层与碰撞激发稀土离子发光层在空间上加以分离的器件设计理念将成为开发低电压驱动稀土掺杂薄膜电致发光器件的重要指南。

上述工作得到了国家科技部973计划(2013CB632102)、国家自然科学基金(61176042和51372219)以及浙江省创新团队项目(2009R50005)的资助。