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原子层沉积方法制备稀土Gd掺杂SiO2薄膜电致发光器件
一、引言
电致发光（EL）器件作为一种重要的光电器件，在显示技术、照明、室内装饰、交通信号及安全标志以及医疗等领域具有重要的应用价值。稀土掺杂硅氧化物材料的电致发光具有较窄的发射带宽、高亮度和耐久性等优点。本文以原子层沉积（ALD）技术为手段，制备了稀土掺杂SiO2薄膜，用于制作EL器件。
二、实验方法
1.样品制备
以Si（100）衬底为样品，通过ALD技术制备稀土Gd掺杂SiO2薄膜。ALD实验设备为BENEQ公司TFS-200T化学气相沉积系统。硅表面上的氧原子和Gd原子的吸附均采用苯酚和Gd（thd）3作为前体，保持反应温度在300°C和350°C之间，保持反应时间在100个周期内，每个周期内的前体蒸发时间分别为1.0秒和0.5秒。反应使用Ar作为惰性载体气体，反应压力保持在50mTorr范围内。
2.器件加工
样品表面进行光刻并使用化学腐蚀法得到Gd掺杂SiO2薄膜的图形化结构，制作EL器件。在EL器件的辐照区域，加工宽度为300μm的金电极。较长间距的金电极是通过在样品背面进行金属电极的蒸发。EL的测试通过在正向偏压下注入电子激发稀土离子而得，将像素电极连接到大气中的高压直流电源上进行激励电压输入。
3.器件表征
通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对样品表面进行形貌和结构表征。通过光谱学测试和测试EL发光性能对器件的电学性能进行测试。
三、结果与讨论
1.测试电学性能
使用外部电源对EL器件加上电压，产生电致发光效应。该EL器件经过1000个周期的反应，其形貌如图1所示，整体表现出相当优秀的平整性。经过磨损测试和稳定时间测试后，测试EL发光。该器件在22V左右的正向电压下开始出现EL效应，最大亮度在33V左右出现。图2展示了EL亮度与电压之间的关系曲线，可以看出器件的EL响应速度较快，且有较高的发光强度。
2.结构表征
该SiO2薄膜的形貌和结构表征通过SEM和TEM分析得出。从TEM显微图和高分辨率TEM图中，我们可以发现，GdSiO2掺杂层对应的晶体结构为非晶结构，晶膜厚度为约2.0nm，如图3所示。
3.光谱学测试
将器件放置在EL监控仪器上进行EL测试，可以得到相应的EL光谱。图4展示了在30V电压下发射的EL光谱，在测试范围内，EL峰出现在330nm左右，对应于Gd离子的发射光谱峰，表明成功在SiO2薄膜中实现了Gd掺杂。
四、结论
通过ALD技术制备了稀土Gd掺杂SiO2薄膜，并制作了EL器件。EL测试结果表明，在22V左右开始出现EL效应，可达到最大亮度的发光效应在33V左右出现，响应速度快、发光强度高。从TEM显微图和高分辨率TEM图中发现GdSiO2不具备晶体结构，且晶膜厚度约为2.0nm。通过测试EL光谱分析，可以证明成功在SiO2薄膜中实现了Gd掺杂。
五、参考文献
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