摻鉺富硅氧化硅發光器件電致發光衰減機制

張慧玉，趙靜，郭強，劉海旭，丁文革

(河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

摻鉺富硅氧化硅發光器件電致發光衰減機制

張慧玉，趙靜，郭強，劉海旭，丁文革

(河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

首先采用多靶射頻磁控共濺射結合后退火工藝制備了摻Er富硅氧化硅MIS(金屬-絕緣體-半導體結構)電致發光器件，然后通過電致發光(EL)以及電流-電壓(I-U)特性測量對發光器件的光電性能進行表征.最后，通過對比不同富硅含量的發光器件的載流子輸運機制，并通過分析器件中的電荷俘獲過程，對富硅氧化硅器件中鉺離子電致發光的激發和猝滅機制進行了解釋.結果表明：富硅的存在改變了MIS發光器件中的載流子輸運過程，造成外加電場下注入的電子能量降低，進而降低Er離子發光中心的激發效率；而富硅引入的缺陷態會引起電荷俘獲及俄歇效應，也會使得發光中心發生非輻射復合過程.

摻鉺富硅氧化硅；電致發光；載流子輸運；電荷俘獲

近年來摻鉺(Er)富硅氧化硅成為硅基發光材料和器件研究領域的前沿問題[1].經過退火等工藝形成并析出的納米晶硅可將能量傳遞給Er3+離子1.54 μm的光致發光從而產生該波長發光的增強作用.這種發光敏化作用可以在集成光放大器和硅基發光器件的制備中得到廣泛的應用[2-4]，而1.54 μm 波長對應于光纖材料的最小損耗窗口，使其對光纖通訊技術發展起到巨大的促進作用.為了拓展其應用范圍并實現硅基光電集成，開發基于摻Er富硅氧化硅的電致發光器件具有重要意義[5-6].目前，摻鉺電致發光器件已被人們廣泛報道[7-8]，然而對其電致發光研究表明，納米晶硅(nc-Si)會對Er3+離子的電致發光產生抑制作用[9]，而對其電致發光機制和發光猝滅的解釋也尚不明確[10-11]，這表明需要建立相關的模型對該現象加以探討.

本文以多靶射頻磁控共濺射、后退火和光刻等工藝，制備出富硅和稀土Er3+離子共摻雜的SiOxMIS結構電致發光器件.通過穩態熒光光譜、I-U特性等測試手段對器件的光、電性質進行了表征，對器件電致發光、載流子輸運和電荷俘獲過程進行了分析，探討了EL發光和衰減機制，為進一步完善MIS發光器件的結構和制備條件提供了實驗方面的指導.

1 實驗方法

電致發光器件制備：對3英寸的n型硅片表面進行RCA清洗，然后通過三靶磁控共濺射系統以SiO2、Er2O3和Si 3個靶材制備100 nm厚的摻Er富硅氧化硅層(SiOx:Er).發光活性層沉積完成后，進行1 100 ℃的后退火處理，形成并析出納米晶硅并激活Er3+離子的發光活性.通過原子層沉積系統(Atomic layer deposition)生長70 nm厚的Al2O3high-K介質層，生長過程中以三甲基鋁(TMA)和H2O作為氣相反應源，生長溫度為200 ℃.最后以濺射在器件正面和背面分別生長ITO透明導電電極和鋁電極.實驗中在保證其他實驗參數相同條件下，改變SiOx:Er活性層中富Si的摻入量.其中Er的質量分數均為1.5%；而富Si質量分數分別為0%，2.5%和7%.通過對比分析不同摻富Si對電致發光性能的影響.

圖1 MIS發光器件的結構示意Fig.1 Schematic diagram of the MIS-LED structure

器件的光電特性表征：通過FLS920熒光光譜儀測量摻鉺富硅MIS發光器件(圖1)的光致和電致發光，采用Keithley2410源表測量器件的I-U特性曲線.

2 結果與討論

圖2為樣品的可見和紅外波段的電致發光光譜，外加的注入電流密度為60 mA/cm2.由圖2可知，摻Er而不含富Si的樣品電致發光峰的峰值波長為380、410、437、475、522、550、658、1 533 nm，分別對應于稀土鉺離子的4f電子殼層能級躍遷(2G11/2—4I15/2，2H9/2—4I15/2，(2F3/2+2F5/2)—4I15/2，2F7/2—4I15/2，2H11/2—4I15/2，2S3/2—4I15/2，4F9/2—4I15/2，4I13/2—4I15/2).而圖2中質量分數為2.5%富Si和1.5%Er元素的樣品的電致發光強度在可見波段無明顯改變，而在紅外波段有所下降.圖2中7%富Si的樣品在可見和紅外波段均出現明顯的光強降低.摻入富Si使得器件電致發光減弱，說明富Si的摻入以及納米晶硅的存在對電致發光有猝滅作用.圖2內嵌圖a為顯微鏡中拍攝到的不含富Si樣品電致發光照片，測試點為直徑0.8 mm的圓形ITO電極區域.可以看到測試點在外加電壓激發下發出綠色發光，而且整個區域發光均勻.值得注意的是，測試點在加壓時Er的多條譜線被同時激發，光譜中也存在藍光、紅光以及1.5 μm波長的紅外發光.而圖2中內嵌圖b為質量分數為7%富Si的樣品發光照片，可以看到在相同的電流注入條件下，其電致發光顯著減弱.

圖3給出了含不同富Si的MIS-LED樣品的電流密度-電壓(I-U)特性曲線.由圖3可知，樣品SiOx層只摻Er時，具有較高的發光閾值電壓，其發光主要為MOS結構中高場下注入到SiO2的導帶熱電子(Fowler-Nordheim)的碰撞激發模式.而由質量分數分別為2.5%和7%富Si的樣品的I-U曲線可知，當摻入富Si的質量分數增大時，發光的閾值電壓降低，其中質量分數為7%富Si的樣品尤其明顯(如圖3中箭頭所示).閾值電壓的降低說明：由于納米晶硅的形成，載流子傳輸過程中發生缺陷輔助躍遷的幾率增加，輸運機制由高場注入改變為缺陷輔助隧穿傳導[12].發光活性層中的納米晶硅使得注入電子時的勢壘降低，注入電子無法在電場中加速并獲得足夠的能量，從而無法進入到SiO2的導帶成為過熱電子，造成Er發光中心碰撞激發效率降低.

λ/nm圖2 不同富硅含量的MIS樣品的電致發光光譜(內嵌圖為含富硅質量分數分別為0和7%的發光器件的暗場發光照片)Fig.2 Electroluminescence spectra of different MOS samples with different excess Si in the devices(the inset shows the photographs of light emission images of devices with 0% and 7% excess Si)

U/V圖3 不同富硅含量的MIS-LED的電流密度-電壓(I-U)特性曲線Fig.3 Current density-voltage characteristics of the samples with different excess Si in the SiOx active layer of MIS-LED

基于以上分析，筆者提出了含有富Si時的MIS結構電致發光的機制，如圖4a所示，圖4a中以數字標出了不同的物理過程.在器件上外加電場時，載流子處于積累狀態，但由于電子注入的勢壘降低，電子和空穴通過納米晶硅發生隧穿〈1〉，并在納米硅中發生復合過程〈2〉，進而將能量傳遞給臨近的Er發光中心〈3〉.Er發光中心獲得的部分能量由于俄歇過程(Auger quenching)〈4〉，將激發富Si缺陷俘獲的載流子，使其分別躍遷到導帶或價帶中的能級.剩余部分處于激發態的Er3+離子發生輻射躍遷〈5〉.

圖4b為MIS電致發光器件中計算得到的電荷俘獲量以及納米晶硅的電致發光峰(700 nm)隨著注入電荷量的變化，測量時保持恒定注入電流密度1 mA/cm2.由圖4b可見，隨著恒流注入，俘獲的電子量不斷增加并趨于飽和，而納米晶硅的電致發光峰則不斷衰減，電子俘獲與EL的猝滅具有一致性.通過分析可知，存在納米晶硅時，Er的電致發光猝滅機制為1)納米晶硅改變了載流子輸運機制，使得注入電子能量降低，發光中心激發效率下降； 2)俄歇效應，納米晶硅激發后，通過非輻射復合將能量傳遞給被陷阱俘獲的電荷，并將其激發到更高能級.

3 結論

本文研究了摻Er富硅氧化硅MIS-LED的電致發光光譜和I-U特性.通過分析其載流子輸運機制，給出了不同富Si含量的摻鉺MIS-LED的發光機制和衰減機制，解釋了納米晶硅引起器件EL猝滅的原因.結果表明MIS結構中的納米晶硅會引起載流子的缺陷輔助隧穿，進而降低注入的載流子能量，使得Er3+離子的激發效率降低.另外，摻入富Si會在MIS發光器件中引入缺陷，其所俘獲的電荷會引起俄歇效應，進而使得Er3+離子的EL猝滅.

圖4 a.含富硅的MIS樣品的能帶結構示意;b.電致發光衰減和電荷俘獲量的關系Fig.4 a. Band diagram of MIS samples with excess Si content in the SiOx layer；b. the relationship between EL decay and trapped charge

[1] 沈浩, 李東升, 楊德仁.硅基光源的研究進展[J].物理學報，2015，64：204-208.

[2] KENYON A J, TRWOGA P F, FEDERIGHI M, et al.Optical properties of PECVD erbium-doped silicon-rich silica: evidence for energy transfer between silicon microclusters and erbium ions [J].J Phys: Condens Matter, 1994, 6 (21): L319-324.DOI:1088,0953-8984/6/21/007.

[3] IACONA F, PACIFICI D, IRRERA A,et al.Electroluminescence at 1.54μm in Er-doped Si nanocluster-based devices [J].Appl Phys Lett, 2002，81(17): 3242-3244.

[4] IRRERA A, IACONA F, FRANZO G, et al.Influence of the matrix properties on the performances of Er-doped Si nanoclusters light emitting devices [J].J Appl Phys, 2010, 107: 054-302.

[5] NAZAROV A, SUN J M, SKORUPA W, et al.Light emission and charge trapping in Er-doped silicon dioxide films containing silicon nanocrystals [J].Appl Phys Lett, 2005,6(15): 151-914.

[6] NAZAROV A, Gebel T, REBOHLE L, et al.Trapping of negative and positive charges in Ge+ion implanted silicon dioxide layers subjected to high-field electron injection [J].J Appl Phys, 2003, 94 (7): 40-44.

[7] SAVIO R L, GALLI M, LISCIDINI M, et al.Photonic crystal light emitting diode based on Er and Si nanoclusters

co-doped slot waveguide[J].Apllied Physics Letters, 2014, 104(104): 121107.

[8] Lü C, ZHU C, WANG C, et al.Electroluminescence from metal-oxide-semiconductor devices with erbium-doped CeO2films on silicon[J].Applied Physics Letters, 2015, 106(14): 141102.

[9] NAZAROV A, SUN J M, SKORUPA W, et al.Light emission and charge trapping in Er-doped silicon dioxide films containing silicon nanocrystals [J].Appl Phys Lett, 2005,86(15): 151914.

[10] NAZAROV A, GEBEL T, REBOHLE L, et al.Trapping of negative and positive charges in Ge+ion implanted silicon dioxide layers subjected to high-field electron injection [J].J Appl Phys, 2003, 94 (7): 4440.

[11] NAZAROV A, TIAGULSKYI S, TYAGULSKYY I, et al.The effect of rare-earth clustering on charge trapping and electroluminescence in rare-earth implanted metal-oxide-semiconductor light-emitting devices[J]. J Appl Phys, 2010, 107 (12): 123112.

[12] PRIOLO F, PRESTI C D, FRANZò G, et.al.Carrier-induced quenching processes on the erbium luminescence in silicon nanocluster devices [J]. Physical Review B, 2006, 73 (11): 113302.

(責任編輯：孟素蘭)

Decay mechanism of the erbium-doped silicon-rich silicon oxide electroluminescence device

ZHANG Huiyu, ZHAO Jing, GUO Qiang,LIU Haixu, DING Wenge

(College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China)

The metal insulator semicsnductor light emitting diod (MIS-LED) with the erbium-doped silicom-rich silicom oxide was fabricated by radio frequency co-sputtering combined with post-annealing technique.The luminescence and electrical properties of the device were characterized by electroluminescence (EL) spectra and current-voltage measurement.Carrier transport and charge trapping mechanisms of the LEDs with different excess silicon content were investigated.Excitation and quenching mechanisms of the electroluminescence from erbium ions in the device were also studied and explained.The results indicated that, with the excess silicon in the MIS-LEDs, the conduction of carriers transform from Fowler-Nordheim tunneling to hopping conduction and the quenching of the EL can be attributed to the energy reduction of the injected electrons and the lowered excitation efficiency of the erbium ions.In addition, the Auger effect induced by charge trapping would also account for the nonradiative recombination processes.

Erbium-doped silicon-rich oxide; electroluminescence; carrier transport; charge trapping

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.04.005

2017-01-05

河北省科技計劃項目(13214315)；河北省高校科學技術研究項目(QN20131115)；教育部博士點基金資助項目(20131301120003)

張慧玉(1993—)，女，河北保定人，河北大學在讀研究生,主要從事新能源光電功能材料研究. E-mail：851589084@qq.com

劉海旭(1982—)，男，河北保定人，河北大學講師，博士，主要從事光電功能材料研究. E-mail：liuchen665@163.com

O469

A

1000-1565(2017)04-0360-04