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)