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一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法

文檔序號(hào):10614625閱讀:387來源:國知局
一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,并闡述了其增強(qiáng)發(fā)光的原理。固態(tài)發(fā)光器件由信號(hào)電極,背電極,發(fā)光單元構(gòu)成,每個(gè)發(fā)光單元是由多層薄膜構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu),各層薄膜采用不同的材料或不同的工藝參數(shù)制作,薄膜物理性質(zhì)不同。在薄膜上施加電壓時(shí),由于介質(zhì)層薄膜中的氧缺陷連接形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電通道,從而熱致發(fā)光。在介質(zhì)層薄膜中增加一層1?2nm厚的Ti薄膜,可以在介質(zhì)層中產(chǎn)生更多的氧缺陷,增強(qiáng)發(fā)光亮度,降低能耗,提高發(fā)光效率。
【專利說明】
一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光増強(qiáng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明所涉及的領(lǐng)域?yàn)楣虘B(tài)照明領(lǐng)域,以及平板顯示領(lǐng)域,特別涉及一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法?!颈尘凹夹g(shù)】
[0002]固態(tài)照明發(fā)光器件(Solid-State Incandescent Lighting Emitting Devices, SS1-LEDs)是由美國德州農(nóng)工大學(xué)(TAMU)郭育(Yue Kuo)教授提出,是一種可以直接產(chǎn)生白光的發(fā)光器件。
[0003]SS1-LEDs采用簡(jiǎn)單的M0S器件結(jié)構(gòu),不同于傳統(tǒng)LED所使用的復(fù)雜的量子阱結(jié)構(gòu), 其核心發(fā)光層為等絕緣介質(zhì)薄膜。SS1-LEDs器件的發(fā)光原理不同于傳統(tǒng)的LED,當(dāng)對(duì)器件施加電壓時(shí),絕緣介質(zhì)薄膜在電場(chǎng)作用下?lián)舸纬捎谰眯缘膶?dǎo)電通道,從而熱致發(fā)光, 類似于鎢絲燈發(fā)光,不同于鎢絲燈的是,導(dǎo)電通道的長(zhǎng)度是納米級(jí)別的,而直徑是微米級(jí)的,產(chǎn)熱較小,發(fā)光效率較高。
[0004]郭育教授的研究主要是以Hf02作為發(fā)光層發(fā)光,而單一的介質(zhì)層中所含有的氧缺陷數(shù)目較少,不利于導(dǎo)電通道的形成,同時(shí)器件工作電流較小,發(fā)光較弱。在此基礎(chǔ)上,郭育教授在介質(zhì)層中制備了一層CdSe作為嵌入層,利用其錯(cuò)配應(yīng)力,在絕緣介質(zhì)層中產(chǎn)生更多的氧空位,達(dá)到增強(qiáng)發(fā)光的目的。導(dǎo)電通道的形成及其穩(wěn)定性是器件發(fā)光的關(guān)鍵,目前在介質(zhì)層中導(dǎo)電通道的形成是隨機(jī)的,并且直徑較小,電阻較大,能耗高。本發(fā)明公開了通過在發(fā)光器件的絕緣介質(zhì)薄膜中嵌入一層或多層鈦(Ti),利用其活潑的金屬性,奪取Hf02中的氧原子,來增加介質(zhì)層中的氧缺陷,并增大導(dǎo)電通道的直徑,從而改進(jìn)器件發(fā)光性能來降低器件能耗的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,可用于提高固態(tài)發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度以及發(fā)光效率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]在絕緣介質(zhì)中制備一層鈦Ti作為嵌入層,制作過程為在硅片上制作多層薄膜,首先為lnm厚Hf02薄膜作為溝道傳輸層,然后為3nm厚Ti薄膜作為嵌入層,最后是8nm厚Hf02薄膜作為發(fā)光層,薄膜制備方法為磁控濺射。
[0008]Ti嵌入層可為單層或多層,嵌入層厚度為l-3nm。
[0009]嵌入層材料為Ti,A1或Mg這些金屬性較強(qiáng)的金屬。[0〇1〇]所采用絕緣介質(zhì)材料為Hf02,Zr〇2,Al2〇3或W03介電系數(shù)大的材料。[〇〇11 ]綜上所述,本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0012]1)能夠直接產(chǎn)生白光,由于其導(dǎo)電路徑的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于其直徑,產(chǎn)熱較小,發(fā)光效率較高;
[0013]2)器件結(jié)構(gòu)為M0S結(jié)構(gòu),比LED的量子阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí),M0S結(jié)構(gòu)能夠和當(dāng)前的IC工藝兼容,可以大規(guī)模生產(chǎn);
[0014]3)導(dǎo)電路徑形成于絕緣介質(zhì)薄膜中,不易被污染,能穩(wěn)定發(fā)光,器件壽命較長(zhǎng);
[0015]4)Ti嵌入層可以在絕緣介質(zhì)層中產(chǎn)生更多的氧缺陷,并且氧缺陷產(chǎn)生于嵌入層周圍,使其不再隨機(jī)分布于絕緣介質(zhì)層中。這樣,當(dāng)器件在較大負(fù)電壓條件下,能夠形成數(shù)目更多,更加穩(wěn)定的導(dǎo)電通道,增加了器件的發(fā)光亮度,減小了器件的產(chǎn)熱,提高了發(fā)光效率;
[0016]5)導(dǎo)電通道的形成更加有規(guī)律,增大了導(dǎo)電通道的直徑,降低了其電阻,提高了器件電流,進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)光?!靖綀D說明】
[0017]圖1是SS1-LEDs原理結(jié)構(gòu)示意圖;[〇〇18]圖2是SS1-LEDs—個(gè)子發(fā)光結(jié)構(gòu)示意圖;[〇〇19] 圖3(a)是SS1-LEDs的未加電壓下原理示意圖;[〇〇2〇]圖3(b)是SS1-LEDs的加負(fù)電壓下發(fā)光原理示意圖;[〇〇21] 圖4(a)是T1-SS1-LEDs的未加電壓下原理示意圖;[〇〇22]圖4(b)是T1-SS1-LEDs的加負(fù)電壓下發(fā)光原理示意圖;[〇〇23]圖5是單層T1-SS1-LEDs的子發(fā)光結(jié)構(gòu)示意圖,為本發(fā)明實(shí)例之一;[〇〇24]圖6是多層T1-SS1-LEDs的子發(fā)光結(jié)構(gòu)示意圖,為本發(fā)明實(shí)例之二;
[0025]圖中:1為信號(hào)電極,2為IT0電極,3為絕緣介質(zhì)層,4為SiNx隔離層,5為硅基板,6為背電極,7為氧缺陷團(tuán)簇,8為單個(gè)氧缺陷,9為導(dǎo)電路徑,10為嵌入層【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明提出的鈦(Ti)嵌入絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件,是在硅片上兩個(gè)器件電極間制備含一層或多層鈦(Ti)嵌入層的絕緣介質(zhì)薄膜,制備鈦(Ti)嵌入層和絕緣介質(zhì)薄膜所采用的技術(shù)為磁控濺射,在硅片上依次制作多層薄膜,介質(zhì)層厚度為8nm,嵌入層厚度為1-2nm,嵌入層薄膜采用的材料為Ti,Al,Mg等活潑金屬,溝道層和發(fā)光層采用的材料為Hf02, Zr02,W03,Al203等絕緣材料,但不局限于這些材料,在制備絕緣介質(zhì)薄膜時(shí)各層可采用不同的工藝參數(shù)。[〇〇28]圖1示出SS1-LEDs的一個(gè)發(fā)光點(diǎn),主要包含了信號(hào)電極1和發(fā)光單元。每個(gè)發(fā)光單元之間通過SiNx4間隔開來。每個(gè)發(fā)光器件包括IT0電極2,絕緣介質(zhì)發(fā)光層3,硅基底5,和背電極6組成。當(dāng)在IT0電極2上施加較大負(fù)向直流電壓時(shí),絕緣介質(zhì)發(fā)光層3會(huì)擊穿并形成導(dǎo)電路徑,從而熱致發(fā)光。[〇〇29]圖2示出了一個(gè)SS1-LEDs的發(fā)光點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖,SS1-LEDs制作在硅基板5上,包含IT0電極2,絕緣介質(zhì)發(fā)光層3,和背電極6
[0030]圖3示出了SS1-LEDs的發(fā)光原理示意圖。當(dāng)器件處于不加電狀態(tài)(圖3a)時(shí),在絕緣介質(zhì)層3中,有很多由氧缺陷8組成的氧缺陷團(tuán)簇7,這些團(tuán)簇隨機(jī)分布在介質(zhì)層3中。當(dāng)器件處于較大負(fù)電壓狀態(tài)下(圖3b)時(shí),組成團(tuán)簇7的氧缺陷8分散開,在電場(chǎng)力的作用下連接成導(dǎo)電通道9,當(dāng)電流流過導(dǎo)電通道9時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱致發(fā)光現(xiàn)象。導(dǎo)電通道9的直徑為微米級(jí)別, 其長(zhǎng)度為8-10nm〇
[0031]圖4示出T1-SS1-LEDs的發(fā)光原理示意圖。嵌入層薄膜10由于其較易氧化,在600°C 退火處理后,會(huì)奪取介質(zhì)層薄膜3中的氧原子,產(chǎn)生更多的氧缺陷8,在器件處于不加電狀態(tài) (圖4a)下,新增的氧缺陷8會(huì)聚集在嵌入層10周圍,形成更多的氧缺陷團(tuán)簇7。當(dāng)器件處于較大負(fù)電壓狀態(tài)下(圖4b)時(shí),組成團(tuán)簇7的氧缺陷8分散開,在電場(chǎng)力的作用下連接成導(dǎo)電通道9,當(dāng)電流流過導(dǎo)電通道9時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱致發(fā)光現(xiàn)象。導(dǎo)電通道9的直徑為微米級(jí)別,其長(zhǎng)度為8-lOnm。[〇〇32]圖5示出了本發(fā)明所公開的單層鈦(Ti)嵌入SS1-LEDs結(jié)構(gòu)示意圖。單層T1-SS1-LEDs由四層薄膜組成。介質(zhì)層薄膜3制作在硅基板5上,可采用磁控濺射,原子層沉積等薄膜制備技術(shù)制作,厚度為8-10nm,薄膜材料可選用Hf02,Zr02等絕緣介質(zhì)。嵌入層層薄膜10嵌入在介質(zhì)層薄膜3之中,選用的材料為Ti,厚度為lnm。頂電極薄膜2制備在介質(zhì)層薄膜3之上, 薄膜材料為IT0等透明電極。第四層膜6為背電極,與硅基板形成歐姆接觸,可選用Al,Mo等材料。[〇〇33]圖6示出了本發(fā)明所公開的多層鈦(Ti)嵌入SS1-LEDs結(jié)構(gòu)示意圖。多層T1-SS1-LEDs 由多層薄膜組成。介質(zhì)層薄膜 3 制作在硅基板 5 上,可采用磁控濺射,原子層沉積等薄膜制備技術(shù)制作,厚度為8-10nm,薄膜材料可選用Hf02,Zr02等絕緣介質(zhì)。嵌入層層薄膜10嵌入在介質(zhì)層薄膜3之中,選用的材料為Ti,厚度為lnm,嵌入層為多層結(jié)構(gòu)。頂電極層薄膜2制備在介質(zhì)層薄膜3之上,薄膜材料為IT0等透明電極。背層膜6為背電極,與硅基板形成歐姆接觸,可選用A1,Mo等材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,其特征在于,在絕緣介質(zhì)中制備一 層鈦Ti作為嵌入層,制作過程為在硅片上制作多層薄膜,首先為lnm厚Hf02薄膜作為溝道傳 輸層,然后為3nm厚Ti薄膜作為嵌入層,最后是8nm厚Hf02薄膜作為發(fā)光層,薄膜制備方法為 磁控濺射。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,其特征在于, Ti嵌入層可為單層或多層,嵌入層厚度為l_3nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,其特征在于, 嵌入層材料為Ti,A1或Mg這些金屬性較強(qiáng)的金屬。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣介質(zhì)薄膜固態(tài)發(fā)光器件發(fā)光增強(qiáng)方法,其特征在于, 所采用絕緣介質(zhì)材料為flf〇2,Zr02,A12〇3或W03介電系數(shù)大的材料。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK105977357SQ201610326570
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】吳勝利, 劉逸為, 張勁濤, 楊燦
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
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