射频磁控溅射法制备ZnO:Eu3+薄膜及其发光研究
近年来,稀土(Rare Earth)掺杂化合物半导体由于其在光电领域的应用受到人们极大地关注。稀土元素的4f电子被外部5s25p6电子屏蔽,受到基质晶体场的作用较小,f-f跃迁发射呈特征锐线状光谱。其中,稀土Eu3+的5D0-7F2跃迁能够产生610nm左右的红光,成为光电器件中一种重要的发光材料。
氧化锌是Ⅱ—Ⅵ族宽禁带直接带隙化合物半导体,室温下禁带宽度3.37eV,激子束缚能高达60meV,比室温热离化能(26meV)大得多,热稳定性和化学稳定性好。ZnO还具有无毒、易刻蚀、价格低廉且可与硅微电子集成工艺相容等优点,使其成为室温下掺杂稀土元素发可见光的优越宿主材料。ZnO薄膜对紫外光有强烈的吸收。可以利用这一性质掺杂稀土元素,将吸收的能量传递到稀土发光中心,实现可见光发光,应用于荧光转换型发光二极管,即用高亮度的近紫外LED激发ZnO:RE3+薄膜,产生RE3+的特征可见光发射。
本文采用射频磁控溅射法在石英衬底上制备了ZnO:Eu3+薄膜,用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪研究了磁控溅射工艺参数如溅射功率、氧氩比、衬底温度、退火工艺和掺杂浓度对其结构、形貌和发光性能的影响,主要得到以下结果:
(1)制备的ZnO:Eu3+薄膜均具有六角纤锌矿结构,没有其它杂相；高的溅射功率和合适的氧氩比有利于形成ZnO的C轴择优取向；增大溅射功率以及高温退火会使薄膜晶粒尺寸增大。
(2)甩372nm激发样品,观察到ZnO基质到Eu3+离子5D0-7Fi(j=0,1,2,3)之间的能量传递现象,其中以5D0-7F2跃迁(611nm左右)最强。
(3)以Eu3+的5D0-7F2(611nm)跃迁为监测波长,测得的激发谱(PLE)包括ZnO的间接激发和Eu3+离子的直接激发。其中ZnO的带间激发及自由激子激发占主要作用,证实了ZnO基质与掺杂Eu3+之间存在有效地能量传递。
(4)大的溅射功率(190w)、高的衬底温度(580℃)、合适的掺杂浓度(1.7％)和氧氩比(3:17)尤其是氧氛围中高温退火(700℃)能促进ZnO基质(372nm)到Eu3+离子(5D0-7F2)之间的能量传递,提高ZnO:Eu3+薄膜的红光发射。
光致发光;磁控溅射;稀土元素;氧化锌薄膜;宽禁带直接带隙化合物半导体
广东工业大学
硕士
微电子学与固化电子学
杨元政
2011
中文
TN304.21;TB383
69
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）