热载流子碰撞激发的硅基掺铒氧化锡电致发光器件

Erbium doped electroluminescent devices are hot research areas in silicon-based light sources. Hot carriers could efficiently excite erbium via impact excitation, but this method is hindered by the high operating voltage for practical application in silicon photonics. The key point to solve this problem is to construct highly effcient transport system of hot carriers and maximize their coupling with erbium. By using a bilayer structure which separates the acceleration layer of hot carriers from the luminescent layer of erbium, the choice of materials and the design of devices would be more flexible, and most importantly, the operating voltage could be reduced. In the work, we will apply GexSn1-xO2/SnO2:Er heterojunction as the hot-carrier-acceleration/erbium-luminescence bilayer. The high carrier mobility and low phonon energy of SnO2 would promote the acceleration and transport of hot carriers. We try to clarify the underlying physics behind the transport and electroluminescent mechanisms, and achieve regulation of hot carriers for efficient impact excitation. The achievement of this work will also be feasible for applications on other rare-earth doped electroluminescent devices as well as other hot carrier devices.

铒离子掺杂的电致发光器件是硅基光源的一个重要研究方向。通过热载流子碰撞可以有效地激发铒离子，但是较高的驱动电压限制了这种激发方式在硅基光电集成中的应用。构筑高效的热载流子输运体系是获得实用化器件的关键。采用热载流子加速/稀土离子碰撞激发双层结构可以提高热载流子输运效率，有效降低器件的开启电压，为材料选择与器件设计提供了更大的灵活性。本项目提出采用GexSn1-xO2/SnO2:Er异质结制备电致发光器件，其中SnO2载流子迁移率高，声子能量低，可以促进热载流子的产生和输运。通过对热载流子输运理论及铒离子激发机制的深入研究，提高热载流子产率，降低无效的散射，在低驱动电压下实现铒离子的高效激发。本项目的研究也可以推广到其他稀土离子掺杂的电致发光器件，推动硅基全光谱显示器件的发展，同时也对其他热载流子器件的发展起到借鉴作用。

稀土离子掺杂是硅基光源的一个重要研究方向。明确稀土离子的激发与退激发动力学过程，构建高效的载流子输运体系，是实现高效发光的前提。本项目基于稀土掺杂氧化锡薄膜，研究稀土离子发光动力学及载流子输运行为，据此构建高效的异质结发光器件。完成的主要工作有：.1)摸索掺铒氧化锡薄膜的溶液制备工艺，探究铒离子在氧化锡薄膜中固溶度，阐明制备工艺对氧化锡薄膜形貌结构的影响。.2)通过变温荧光光谱揭示掺铒氧化锡薄膜的荧光动力学行为，阐明了制备工艺对薄膜光学性能的影响。开发了一种离子掺杂提高薄膜发光性能的方法，并对其机理进行了研究。.3)探究器件载流子输运的影响因素，针对漏电流大的问题，开发新型热处理工艺实现了输运调控。通过掺杂进一步增强载流子对铒离子的有效激发，在低开启电压下实现高效发光。.4)探究晶体场对掺铽氧化锡薄膜发光性能的影响，并发展了多种调控方法。.5)其他异质结体系中载流子输运调控优化实现器件性能提高。