一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法
【专利摘要】本发明公开了一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，并阐述了其增强发光的原理。固态发光器件由信号电极，背电极，发光单元构成，每个发光单元是由多层薄膜构成的MOS结构，各层薄膜采用不同的材料或不同的工艺参数制作，薄膜物理性质不同。在薄膜上施加电压时，由于介质层薄膜中的氧缺陷连接形成一个连续的导电通道，从而热致发光。在介质层薄膜中增加一层1?2nm厚的Ti薄膜，可以在介质层中产生更多的氧缺陷，增强发光亮度，降低能耗，提高发光效率。
【专利说明】
一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光増强方法
技术领域
[0001]本发明所涉及的领域为固态照明领域，以及平板显示领域，特别涉及一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法。【背景技术】
[0002]固态照明发光器件(Solid-State Incandescent Lighting Emitting Devices, SS1-LEDs)是由美国德州农工大学(TAMU)郭育(Yue Kuo)教授提出，是一种可以直接产生白光的发光器件。
[0003]SS1-LEDs采用简单的M0S器件结构，不同于传统LED所使用的复杂的量子阱结构， 其核心发光层为等绝缘介质薄膜。SS1-LEDs器件的发光原理不同于传统的LED，当对器件施加电压时，绝缘介质薄膜在电场作用下击穿，形成永久性的导电通道，从而热致发光， 类似于钨丝灯发光，不同于钨丝灯的是，导电通道的长度是纳米级别的，而直径是微米级的，产热较小，发光效率较高。
[0004]郭育教授的研究主要是以Hf02作为发光层发光，而单一的介质层中所含有的氧缺陷数目较少，不利于导电通道的形成，同时器件工作电流较小，发光较弱。在此基础上，郭育教授在介质层中制备了一层CdSe作为嵌入层，利用其错配应力，在绝缘介质层中产生更多的氧空位，达到增强发光的目的。导电通道的形成及其稳定性是器件发光的关键，目前在介质层中导电通道的形成是随机的，并且直径较小，电阻较大，能耗高。本发明公开了通过在发光器件的绝缘介质薄膜中嵌入一层或多层钛(Ti)，利用其活泼的金属性，夺取Hf02中的氧原子，来增加介质层中的氧缺陷，并增大导电通道的直径，从而改进器件发光性能来降低器件能耗的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，可用于提高固态发光器件的发光强度以及发光效率。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]在绝缘介质中制备一层钛Ti作为嵌入层，制作过程为在硅片上制作多层薄膜，首先为lnm厚Hf02薄膜作为沟道传输层，然后为3nm厚Ti薄膜作为嵌入层，最后是8nm厚Hf02薄膜作为发光层，薄膜制备方法为磁控溅射。
[0008]Ti嵌入层可为单层或多层，嵌入层厚度为l-3nm。
[0009]嵌入层材料为Ti，A1或Mg这些金属性较强的金属。[0〇1〇]所采用绝缘介质材料为Hf02，Zr〇2，Al2〇3或W03介电系数大的材料。[〇〇11 ]综上所述，本发明具有如下的优点:
[0012]1)能够直接产生白光，由于其导电路径的长度远小于其直径，产热较小，发光效率较高；
[0013]2)器件结构为M0S结构，比LED的量子阱结构简单。同时，M0S结构能够和当前的IC工艺兼容，可以大规模生产；
[0014]3)导电路径形成于绝缘介质薄膜中，不易被污染，能稳定发光，器件寿命较长；
[0015]4)Ti嵌入层可以在绝缘介质层中产生更多的氧缺陷，并且氧缺陷产生于嵌入层周围，使其不再随机分布于绝缘介质层中。这样，当器件在较大负电压条件下，能够形成数目更多，更加稳定的导电通道，增加了器件的发光亮度，减小了器件的产热，提高了发光效率；
[0016]5)导电通道的形成更加有规律，增大了导电通道的直径，降低了其电阻，提高了器件电流，进一步增强发光。【附图说明】
[0017]图1是SS1-LEDs原理结构示意图；[〇〇18]图2是SS1-LEDs—个子发光结构示意图；[〇〇19] 图3(a)是SS1-LEDs的未加电压下原理示意图；[〇〇2〇]图3(b)是SS1-LEDs的加负电压下发光原理示意图；[〇〇21] 图4(a)是T1-SS1-LEDs的未加电压下原理示意图；[〇〇22]图4(b)是T1-SS1-LEDs的加负电压下发光原理示意图；[〇〇23]图5是单层T1-SS1-LEDs的子发光结构示意图，为本发明实例之一；[〇〇24]图6是多层T1-SS1-LEDs的子发光结构示意图，为本发明实例之二；
[0025]图中:1为信号电极，2为IT0电极，3为绝缘介质层，4为SiNx隔离层，5为硅基板，6为背电极，7为氧缺陷团簇，8为单个氧缺陷，9为导电路径，10为嵌入层【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0027]本发明提出的钛(Ti)嵌入绝缘介质薄膜固态发光器件，是在硅片上两个器件电极间制备含一层或多层钛(Ti)嵌入层的绝缘介质薄膜，制备钛(Ti)嵌入层和绝缘介质薄膜所采用的技术为磁控溅射，在硅片上依次制作多层薄膜，介质层厚度为8nm，嵌入层厚度为1-2nm，嵌入层薄膜采用的材料为Ti，Al，Mg等活泼金属，沟道层和发光层采用的材料为Hf02， Zr02，W03，Al203等绝缘材料，但不局限于这些材料，在制备绝缘介质薄膜时各层可采用不同的工艺参数。[〇〇28]图1示出SS1-LEDs的一个发光点，主要包含了信号电极1和发光单元。每个发光单元之间通过SiNx4间隔开来。每个发光器件包括IT0电极2,绝缘介质发光层3,硅基底5,和背电极6组成。当在IT0电极2上施加较大负向直流电压时，绝缘介质发光层3会击穿并形成导电路径，从而热致发光。[〇〇29]图2示出了一个SS1-LEDs的发光点的结构示意图，SS1-LEDs制作在硅基板5上，包含IT0电极2,绝缘介质发光层3,和背电极6
[0030]图3示出了SS1-LEDs的发光原理示意图。当器件处于不加电状态(图3a)时，在绝缘介质层3中，有很多由氧缺陷8组成的氧缺陷团簇7,这些团簇随机分布在介质层3中。当器件处于较大负电压状态下(图3b)时，组成团簇7的氧缺陷8分散开，在电场力的作用下连接成导电通道9,当电流流过导电通道9时，会产生热致发光现象。导电通道9的直径为微米级别， 其长度为8-10nm〇
[0031]图4示出T1-SS1-LEDs的发光原理示意图。嵌入层薄膜10由于其较易氧化，在600°C 退火处理后，会夺取介质层薄膜3中的氧原子，产生更多的氧缺陷8，在器件处于不加电状态 (图4a)下，新增的氧缺陷8会聚集在嵌入层10周围，形成更多的氧缺陷团簇7。当器件处于较大负电压状态下(图4b)时，组成团簇7的氧缺陷8分散开，在电场力的作用下连接成导电通道9,当电流流过导电通道9时，会产生热致发光现象。导电通道9的直径为微米级别，其长度为8-lOnm。[〇〇32]图5示出了本发明所公开的单层钛(Ti)嵌入SS1-LEDs结构示意图。单层T1-SS1-LEDs由四层薄膜组成。介质层薄膜3制作在硅基板5上，可采用磁控溅射，原子层沉积等薄膜制备技术制作，厚度为8-10nm，薄膜材料可选用Hf02，Zr02等绝缘介质。嵌入层层薄膜10嵌入在介质层薄膜3之中，选用的材料为Ti，厚度为lnm。顶电极薄膜2制备在介质层薄膜3之上， 薄膜材料为IT0等透明电极。第四层膜6为背电极，与硅基板形成欧姆接触，可选用Al，Mo等材料。[〇〇33]图6示出了本发明所公开的多层钛(Ti)嵌入SS1-LEDs结构示意图。多层T1-SS1-LEDs 由多层薄膜组成。介质层薄膜 3 制作在硅基板 5 上，可采用磁控溅射，原子层沉积等薄膜制备技术制作，厚度为8-10nm，薄膜材料可选用Hf02，Zr02等绝缘介质。嵌入层层薄膜10嵌入在介质层薄膜3之中，选用的材料为Ti，厚度为lnm，嵌入层为多层结构。顶电极层薄膜2制备在介质层薄膜3之上，薄膜材料为IT0等透明电极。背层膜6为背电极，与硅基板形成欧姆接触，可选用A1，Mo等材料。
【主权项】
1.一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，其特征在于，在绝缘介质中制备一 层钛Ti作为嵌入层，制作过程为在硅片上制作多层薄膜，首先为lnm厚Hf02薄膜作为沟道传 输层，然后为3nm厚Ti薄膜作为嵌入层，最后是8nm厚Hf02薄膜作为发光层，薄膜制备方法为 磁控溅射。2.根据权利要求1所述的一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，其特征在于， Ti嵌入层可为单层或多层，嵌入层厚度为l_3nm。3.根据权利要求1所述的一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，其特征在于， 嵌入层材料为Ti，A1或Mg这些金属性较强的金属。4.根据权利要求1所述的一种绝缘介质薄膜固态发光器件发光增强方法，其特征在于， 所采用绝缘介质材料为flf〇2，Zr02，A12〇3或W03介电系数大的材料。
【文档编号】H01L33/22GK105977357SQ201610326570
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】吴胜利, 刘逸为, 张劲涛, 杨灿
【申请人】西安交通大学