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金刚石薄膜电致发光特性研究

王小平  
【摘要】: 无机薄膜电致发光显示在光谱蓝区至今仍未获得理想的蓝色电致发光,无法实现全色化。这一缺陷大大限制了这项技术的应用范围,因此,蓝光问题是无机薄膜电致发光显示领域的研究热点。 本文尝试了几种提高金刚石薄膜电致发光强度的方法,在国际上首次制备出了铈掺杂念刚石薄膜电致发光器件,并首次研究了硼氮双掺杂金刚石薄膜中硼和氮掺杂量对金刚石薄膜电致发光特性的影响规律,得到了一些新的研究结果。并由此发现在金刚石薄膜中掺入Ce~(3+)的方法可较大幅度地提高金刚石薄膜蓝区电致发光强度,并使我们制备出的金刚石薄膜蓝区电致发光器件的最大发光强度达到了3.5cd/m~2。 1.硼掺杂金刚石薄膜电致发光的研究 以固体B_2O_3为掺杂源制备出了高质量的掺杂金刚石薄膜(硼掺杂的精确浓度未测出,所以,硼掺杂量用了在沉积掺杂金刚石薄膜时放入CVD反应室中的固体B_2O_3的质量来表示),在此基础上制备出了两种结构的无衬底硼掺杂金刚石薄膜电致发光器件,并发现: 对单层结构的器件来说,其电致发光光谱峰值在430nm处,属蓝区发光;固体B_2O_3掺杂量在3.1mg范围内,随着硼掺杂量的增加,器件的发光强度也增加;但当B_2O_3掺杂量超过3.1mg后,由于薄膜电阻率的进一步下降而无法对器件施加激发电场。 对三层结构的器件来说,其电致发光的光谱分别在近紫外区380nm(主峰)、400nm处和蓝区430nm处。 但该类金刚石薄膜电致发光器件的蓝区发光强度很弱。 2.硼氮双掺杂金刚石薄膜电致发光的研究 为了提高器件的蓝区电致发光强度,通过调整器件的结构即采用夹层式(用本征金刚石薄膜和氧化硅薄膜夹住一层掺杂金刚石薄膜发光层)结构;在金刚石薄膜中同时掺入硼和氮两种杂质制备出了双掺杂金刚石薄膜电致发光器件(其中硼掺杂量保持在某一水平,而氮掺杂量在0-0.5%之间变化);结果发现: 对于轻掺氮(氮含量小于0.3%)双掺杂金刚石薄膜电致发光器件来说,其发光光谱位于蓝区470nm(主峰)处,近紫外402nm(次峰)处,另在黄光区 584un。处有一弱峰;随着氮掺杂量的增加,器件的电致发光强度逐渐增加,器 件的电致发光阈值电压逐渐减小。但当氮掺杂量超过0.3%以后(重掺氮情况), 器件的发光光谱的主峰却出现红移,原来位于黄光区584urn处的光发射成为发 光的主峰,另在蓝区 433urn和 470urn处也各有一发光峰;并且重掺氮器件的发 光强度远远地大于轻掺氮器件的发光强度,对于重掺氮器件来说,其黄光区电 致发光强度最高可达sod/m’。 3.Ce卜掺杂余刚石薄膜电致发光的研究 在以上两种掺杂方式均未能达到有效捉高金刚石薄膜蓝区电致发光强度目 标的情况下,采用夹层法(即采用二次沉积技术用两层金刚石薄膜夹住一层CeF。 薄膜)首次制备出了Cey掺杂金刚石薄膜,在此基础上制备出了Cey掺杂金刚 石薄膜电致发光器件,其。户C4”浓度在3%一8%之问,研究发现: Ce卜掺杂余刚石薄膜电致发光器件WJ发光光谱主峰位于蓝区45Inm(主峰) 处;该种器件的电致发光强度最高可达3.sod/m’,远远大于硼氮双掺杂余刚石薄 膜蓝区电致发光器件的强度,发光寿命超过10小时。 (到目前为止,国际上报迢的金刚石薄膜蓝区电致发光的最大发光强度为 3.6Cd/m’,发光寿命为几秒个到 10分韦) 4.Ce卜注入掺杂金刚石簿膜光致发光研究 为了改进 cey掺杂方法,并进一步研究 ce尸掺杂余刚石薄膜场致发光特性, 采用注入法分别制备了两种注人剂量的掺杂金刚石薄膜,研究了器件的光致发光 特性,结果发现: 器件光致发光的光谱峰分别位于蓝区462urn(主峰)处和紫光区42Inm处;随 着Ce分注入剂量的增加,器件光致发光的发光强度明显地增加。 据我们所知,有关在金刚石薄膜中掺入Ce讣的方法对金刚石薄膜进行场致 发光方面的研究在国内、国外均属首次,实验结果表明:ce讣掺杂方法可有效地 提高余刚石薄膜蓝区电致发光器件的发光强度,因此,在来刚石薄膜中掺入Ce’” 极有可能是一种提高金刚石薄膜蓝区电致发光器件发光强度的一种有效方法。该 项研究为制备出可实际应用的金刚石薄膜蓝区电致发光器件开辟了一条新的、可 能的应用途径。


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