硅基掺铒二氧化钛薄膜异质结器件的电致发光

With the ever-smaller feature size of integrated circuits (ICs), the electrical interconnection will become the limiting factor to increase the operation speed of ICs and will remarkably increase power consumption. In this context, the replacement of electrical interconnection by optical interconnetion becomes the key to further development of silicon-based ICs. Then, the silicon-based light-emitting devices are fundmental to the optical interconnetion. Consequently, the researches of silicon-based light-emitting materials and devices are of significance. We have realized the electroluminescence (EL) from Er-doped TiO2 film on silicon for the first time. Based on this achievement, this project will emphasize on the enhancement of Er-related EL and related mechanism and will explore the pathways to suppress the visilbe EL while to enhance the infrared (1540 nm)EL from Er ions. Aiming to the above subjects, the strategy of co-doping transitional-metal or rare-earth impurity into TiO2:Er film will be adopted to improve the efficiency of energy transfer from the TiO2 host to the Er ions and to increase the excitation cross-section of Er ions. In consequence, the Er-related EL at optical communication wavelength of 1540 nm will be enhanced. Furthermore, the EL mechanism for the TiO2:Er/Si heterostructured devices will be explored.

随着集成电路特征线宽的不断减小,金属（电）互连将成为集成电路工作速度进一步提升的限制因素,并将显著增加集成电路的功耗。因此，以光互连代替电互连是硅基集成电路进一步发展面临的关键问题，而硅基发光器件则是实现光互连的基本条件。但是，硅是间接禁带半导体，不能作为高效发光材料。因此，研究硅基发光材料与器件具有重要意义。申请人已经在国际上首先实现了硅基掺铒二氧化钛(TiO2:Er)薄膜异质结器件的电致发光。本项目在此基础上,重点研究如何增强Er电致发光, 探索抑制Er可见电致发光而增强1.54微米电致发光的方法。围绕上述目标，将通过在TiO2：Er薄膜中共掺其它不同类型(过渡金属和稀土)的杂质并结合适当的热处理，改善TiO2:Er薄膜中基体向Er离子的能量传递效率以及提高Er的激发截面，从而增强Er在光通讯波段1.54微米的电致发光。在此基础上，阐明硅基TiO2:Er薄膜异质结器件的电致发光机制。

硅基稀土发光材料与器件是硅基发光的一个重要研究方向。在国际上已报道的硅基稀土发光材料与器件的工作中，存在着驱动电压过高、发光易于猝灭以及与现有集成电路工艺兼容型差等问题。为了克服上述问题，实现硅基稀土掺杂氧化物半导体的电致发光是一条可行的途径。与GaN相比，氧化物半导体的材料成本较低，且其制备工艺更简单，可与集成电路工艺兼容。与基于氧化硅或氮化硅薄膜的器件相比，硅基氧化物半导体器件的电注入更易实现。. 本项目首先实现硅基稀土掺杂TiO2薄膜器件的低压驱动电致发光，并通过材料改性和器件结构设计等途径对稀土离子电致发光进行调控。通过在TiO2基体中共掺Fe，完全抑制了TiO2:Er/p+-Si 异质结器件的Er可见电致发光而1.54m电致发光得到一定程度的增强，这是经Fe深能级中心传递能量激发Er离子发光所致。从能带工程的角度出发，构建ITO/TiO2:RE/SiO2/Si（RE=Eu, Er, Tm, Nd）多层结构器件，利用SiO2隧穿层与TiO2的能带阶差促使热电子的形成，实现了低压（<10V）驱动的热电子碰撞激发稀土离子多色和近红外电致发光。需要指出的是，以往基于热电子碰撞激发机制的稀土掺杂半导体（如ZnS和GaN等）薄膜发光器件都存在驱动电压很高（一般在几十伏以上，甚至220V伏）的问题。在此基础上，通过在TiO2基体中共掺Y，显著地提高了稀土电致发光的强度。通过改变热处理温度（不高于650C），实现了由氧空位和稀土离子浓度共同调控TiO2:Eu/p+-Si异质结器件的电致发光。通过改变热处理温度（不低于650C），实现了硅基TiO2:Er薄膜发光器件的发光机制的调控，即：随着热处理温度的提高，器件电致发光由能量传递激发稀土离子发光机制向热电子碰撞激发稀土离子发光机制转变。本项目还拓宽了稀土离子电致发光的材料体系，基于热载流子碰撞激发稀土离子发光机制，实现了硅基稀土掺杂CeO2薄膜以及硅基Tb4O7薄膜的电致发光。. 本项目发表SCI论文10篇，其中：在应用物理领域的著名期刊Appl.Phys. Lett 上发表论文3篇、J. Appl.Phys.上 2篇；在光学领域的著名期刊Opt. Express上 1篇、Adv. Opt. Mater上1篇。此外，获得中国发明专利1项。项目培养博士生3名、硕士生4名。