异质结N-ZAO P-金刚石薄膜电致发光性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 7.05MB 47 页 15积分

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异质结 N-ZAO/P-金刚石薄膜电致发

光性能研究

摘要

金刚石薄膜除了具有与天然金刚石相同的晶体结构，也具有高硬度、高耐磨、

宽的禁带宽度、宽的光波透过性、耐腐蚀等特性。工具领域、热沉领域和光学应用领

域都特别需要它的这些优良特性，所以它具有极其广阔的应用前景，使其成为了

人们的研究热点。

在光学应用领域，我们知道金刚石薄膜是制造蓝区电致发光器件比较有前景

的材料。所以，本文根据这个特点，将会应用微波等离子体化学气相沉积和电子

束物理气相沉积系统制备异质结金刚石电致发光器件，在实验的过程中我们不断

的改良器件的结构，改进工艺，最终制备出了结构为高掺杂硅/金刚石/硼/ZAO、

高掺杂硅/金刚石/硼/金刚石/ZAO 和高掺杂硅/金刚石/硼/金刚石/SiO2/ZAO 金

刚石薄膜电致发光器件。接着我们应用相关设备检测和分析了样品的成分、光谱特

性及发光强度与激发电压之间的关系，最后对实验结果进行了分析总结。

对结构为高掺杂硅/金刚石/硼/ ZAO 电致发光器件，通过检测我们发现，当

外接直流电压器的示数为 85V 时，器件发光亮度达到最大且用肉眼可明显可分辨

其为白光，并且我们得到了其发光光谱的主峰位于黄区 590nm 处，两个次峰分别

位于蓝区 485nm、红区 638nm 处。

对于结构为高掺杂硅/金刚石/硼/金刚石/ ZAO 电致发光器件，通过检测得

到了其发光光谱的主峰位于绿区 525nm 处，一个很小的次峰位于 638nm 处，我们

还发现，当外接电压器的示数同样为 85V 时，器件大面积均匀发光且亮度达到最

大，用肉眼可明显分辨其为白光偏绿。

对于结构为高掺杂硅/金刚石/硼/金刚石/ SiO2/ ZAO 电致发光器件，通过检

测我们得到了其发光光谱的光峰分别位于蓝区 475nm、黄区 575nm 和红区 650nm

处，且加直流电压后发现器件发白光，这和预期的一样。同样经过检测我们发现，

当器件两端加很小直流电压时，器件就开始发光，并且随着电压增大，电流大幅

度增大。

本文对金刚石电致发光做了研究，并且已经做出发光效果不错的器件，希望

对其实现实用化做出贡献。

关键词：金刚石薄膜电致发光器件掺铝氧化锌白光

ABSTRAT

Diamond film not only has the same with natural diamond crystal structure, but also

has high hardness, high wear resistance, wide band gap, wide light permeability,

corrosion resistance and other characteristics. Tool filed, heat sink field and optical

applications are particularly in need of its these excellent properties, so it has a very

broad application prodpect, which has became one of people’s research hot spot.

In optical applications, we know the diamond film is promising materials to produce

blue area electroluminescent device. So, the article will use microwave plasma chemical

vapor deposition and electron beam physical vapor deposition system to fabricate

heterojunctions diamond electroluminescent device, in this experiment, we continuously

improve the structure of the device and improve technology. The final we fabricated

structure as silicon/ diamond/ boron/ ZAO, silicon/ diamond/ boron/ diamond/ZAO and

silicon /diamond/ boron/ diamond/ SiO2 /ZAO electroluminescent devices. Then we

apply related equuiment detects and analyses the composition of the samples、 spectral

properties ,and the relationship between luminous intensity and the excitation voltage.

Finally, the experimental results are analyzed and summarized.

Through testing on the structure of silicon/ diamond/ boron/ ZAO electroluminescent

devices, we found that, when the external DC voltage instructions number is 85V,

luminescence brightness of the device reaches the maximum and which is distinguished

for white light by naked eye. And we got the main peak is located in yellow

luminescence spectroscopy at 590nm, two peaks were located in the blue region at 638

and in the red region at 485nm.

Through testing on the structure of silicon/ diamond/ boron/ diamond/ ZAO

electroluminescent devices, we found that, when the external DC voltage instruction

number is 85V, luminescence brightness of the device reaches the maximum and which

is distinguished for slant green white light by naked eye. And we got the main peak is

located in green luminescence spectroscopy at 525nm, a small peak was located in the

red region at 638nm.

Through testing on the structure of silicon/ diamond/ boron/ diamond/ SiO2/ ZAO

electroluminescent devices, we got three peaks locat in blue region at 485nm、yellow

region at 590nm and red region at 638nm, and when the external DC voltage is

connected, the device is emitting white light, the result is same to expected. Also after

AV test we find that, when the external DC voltage is very small, device begins to glow,

and as the voltage increases, the electric current increase, it explain that SiO2 effect.

In this paper, a lot of research has been done about diamond electroluminescent, and

has made a device which has good glow effect. I hope to make contribution for the

device realize practical.

Key Words: diamond thin film, electroluminescent device, ZAO, white

light

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论....................................................................................................................1

1.1 引言.........................................................................................................................1

1.2 无机薄膜电致发光器件的发展及所面临的主要问题.....................................1

1.3 新的蓝光材料金刚石薄膜的发现及意义.........................................................3

1.4 电致发光器件的前景展望.................................................................................4

1.5 本文的主要研究内容.........................................................................................4

第二章薄膜电致发光机理.............................................................................................6

2.1 引言....................................................................................................................6

2.2 金刚石薄膜的电致发光原理.............................................................................7

2.3 低场注入式电致发光.............................................................................................7

2.4 高场电致发光.....................................................................................................9

2.4.1 发光中心..............................................................................................................9

2.4.2 分立发光中心......................................................................................................9

2.4.3 复合发光中心................................................................................................10

2.4.4 杂质中心的复合发光....................................................................................11

第三章实验仪器的介绍...............................................................................................12

3.1 引言..................................................................................................................12

3.2 电子束物理气相沉积（EBVD）系统................................................................12

3.2.1 DZS500a 型电子束 PVD 系统及特点....................................................12

3.2.2 电子束物理气相沉积（EBVD）系统的工作原理...............................14

3.2.3 实验的主要参数......................................................................................14

3.2.4 电子束物理气相沉积（EBVD）系统的实验步骤...............................14

3.3 微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统.................................................15

3.3.1 MMPS-203C 型微波等离子 CVD 系统..................................................15

3.3.2 MPCVD 系统制备金刚石薄膜的原理...................................................17

3.3.3 MPCVD 系统制备金刚石薄膜的实验步骤...........................................19

3.4 超声仪的工作原理及其使用方法.......................................................................20

3.4.1 DL-720D 型超声仪系统..........................................................................20

3.4.2 DL-720D 型超声仪系统工作原理..........................................................21

3.4.3 DL-720D 型超声仪系统的使用方法......................................................21

第四章金刚石薄膜电致发光器件的研究....................................................................23

4.1 引言...................................................................................................................23

4.2 金刚石薄膜的制备...........................................................................................23

4.3 金刚石/硼/掺铝氧化锌结构电致发光器件.....................................................26

4.3.1 器件的制备.................................................................................................27

4.3.2 测试与分析.................................................................................................30

4.4 金刚石/硼/金刚石/掺铝氧化锌结构电致发光器件........................................34

4.4.1 器件的制备.................................................................................................34

4.4.2 测试与分析.................................................................................................35

4.5 金刚石/硼/二氧化硅/掺铝氧化锌结构电致发光器件....................................38

4.5.1 器件的制备.................................................................................................38

4.5.2 测试与分析.................................................................................................40

4.6 本章小结...........................................................................................................42

第五章结论...................................................................................................................44

参考文献.........................................................................................................................45

第一章绪论

1.1 引言

随着社会科技的迅速发展，普通的显示终端已不能满足社会的需要，这就需

要我们制备高水平的显示终端来填补这一需要。目前只有薄膜电致发光（TFEL）

器件所具有的优点（发光自主性、可视角度大、具有平板功能、全固化、适应多变环

境、使用寿命长）才可以满足人们的需求，所以它倍受人们关注，并且得到迅速

的发展，而其中无机电致发光薄膜是最受关注的，且最具竞争潜力，它非常有希

望成为下一代平板显示技术之一。

金刚石薄膜是近年来人工合成具有与天然金刚石一样优良性能（硬度强、热

导率好、介电常数比较低、很强的抗腐蚀性、摩擦系数小、光的透过率很高，以及掺

杂后的半导体特性等）的一种新型功能材料[1-6]。由于金刚石的功能特性和应用研

究得到了迅速的发展，它在工业和科技上备受人们的青睐。由于金刚石薄膜的带

隙比较宽，达到 5.5eV ，所以掺杂过后可能成为 P型半导体材料(低至10-

2Ωcm~102Ωcm 电阻率且最大空穴载流子浓度达 1018cm-3)，或成为的 N型半导体材

料（电阻率达102Ωcm）。通过对金刚石薄膜电致发光的研究我们发现金刚石薄膜

有一个特别的发光带，其位于光谱蓝绿区（我们称之为“A”带）[7-13]。由于金刚

石薄膜具有以上的良好优点，使其能够制备出发蓝光的薄膜电致发光器件打下了

坚实基础。特别是最近几年，经过科研人员的不懈努力，低压下成功的合成金刚

石薄膜[14]得到了突破，并且已经能够制备出高质量金刚石薄膜（晶体结构完整一

致、缺陷极少和几乎不含石墨及其它非金刚石相）。这就为制备高质量电致发光器

件提供了条件。

1.2 无机薄膜电致发光器件的发展及所面临的主要问题

1923 年，Lossew 发现当有正向电流通过 SiC 所形成的 P-N 结时，里面的载流子

会发生复合而产生微弱的发光现象。但是它并没有引起科研人员的注意，因为它

的发光效率很低。

1936 年，G Destriau﹒发现当有交流电场通过掺微量铜杂质的硫化锌（其以粉

末状的形态悬浮在介质中）的时候，有可见光发出。为了纪念 G Destriau﹒，我们

将其命名为Destriau 效应。但是这个发光现象也没有引起科研人员的注意，因为它

的发光效率也不是太高且不容易做成器件。

五十年代初，透明导电玻璃被发明，科研人员根据 Destriau 效应制作出了大

面积平面光源，这引起当时世界上许多国家的很大兴趣，并掀起了研究电致发光

的高潮，且一直持续到六十年代，但是他们的研究工作没有重大突破，因为当时

对这种复杂的发光现象没有完整的理论和试验模型作符合实际的解释，所以导致

他们一直没有解决电致发光亮度很低，效率不高且寿命有限等缺点，最终没有实

现实用。

六十年代以后，由于固体物理学和发光学得到了迅速发展，同时半导体器件

日趋成熟的制造工艺技术被借鉴，这些都促进了电致发光的研究。

其中在 1974 年，T﹒Inoguchi 等人（日本Sharp 公司的）用两层绝缘层夹住

一层发光的薄膜制作了双绝缘层结构的薄膜电致发光器件。其具有以下几个优点：

（1）很好的稳定性；（2）发光亮度高致 8000cd/㎡；(3)使用寿命达到上万小时。

双绝缘层结构的薄膜电致发光器件所具备的这些优点奠定了其走向实用化的基础

这种结构的电致发光器件已经被日本、美国和芬兰等国应用制作出计算机显示终

端。

1983 年，日本Sharp 公司首次推出商业化的 TFELD，同年Grid 生产了TFELD

便携式计算机（6英寸 320╳240 像素）。

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摘要：

异质结N-ZAO/P-金刚石薄膜电致发光性能研究摘要金刚石薄膜除了具有与天然金刚石相同的晶体结构，也具有高硬度、高耐磨、宽的禁带宽度、宽的光波透过性、耐腐蚀等特性。工具领域、热沉领域和光学应用领域都特别需要它的这些优良特性，所以它具有极其广阔的应用前景，使其成为了人们的研究热点。在光学应用领域，我们知道金刚石薄膜是制造蓝区电致发光器件比较有前景的材料。所以，本文根据这个特点，将会应用微波等离子体化学气相沉积和电子束物理气相沉积系统制备异质结金刚石电致发光器件，在实验的过程中我们不断的改良器件的结构，改进工艺，最终制备出了结构为高掺杂硅/金刚石/硼/ZAO、高掺杂硅/金刚石/硼/金刚石/ZAO和...

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