【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体发光及硅基光源领域，具体涉及一种基于绝缘加速层效应提供热电子的电致发光器件及其制备方法。
技术介绍
1、随着工业社会的不断发展，采用固态半导体光源的发光器件由于具有节能、环保、显色性与响应速度好等优势，在照明、平板显示、硅基光源等领域得到了广泛的研究和应用，但在白光光源等多色发光领域，传统半导体器件仍存在发光色度偏移等问题。现有研究中，半导体多色发光器件主要有两种典型的商用结构：①以紫光或蓝光等高能光源激发荧光粉，通过混色的方式实现发光。②通过红绿蓝三基色的三五族半导体光源混色实现发光。然而，利用高能光源激发荧光粉实现多色发光的工作方式，其发光色度会存在较大的偏移，且具有较低的器件稳定性；对于通过三五族半导体光源实现三基色发光并进一步混色的工作方式，由于三五族材料自身的发光性质易受到环境条件的影响，其发光色度稳定性存在不足，同时三五族材料高的制备成本及难以兼容如硅基cmos工艺等传统工艺集成方式，进一步制约了其应用范围。为此进一步开发新型发光色度可控的高稳定性光源极具研究价值。
2、稀土元素因其电子层存在未填充满的且受外界屏蔽的4f5d电子组态，其发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，因此基于稀土元素的发光材料及器件得到了广泛的研究。目前，在稀土元素的发光应用研究中，仍以对稀土荧光粉的制备及其性能优化调控为主，缺乏对高性能的固态稀土掺杂半导体发光器件的探索工作。为实现基于稀土元素的固态发光器件，首先需要选取适宜的掺杂基质材料，科研人员先后将稀土元素掺入窄带隙半导体如硅、砷化镓、磷化铟，绝缘体如氧化硅、
3、为解决稀土掺杂发光器件低工作电压和抑制俄歇复合效应不兼得导致器件效率偏低的问题，科研人员考虑将稀土掺入宽带隙的半导体诸如氮化镓中。如l.zhang,et al.,voltage-controlled variable light emissions from gan codoped with eu,er,andtm,applied physics letters,volume 91,2007,143514：研究了稀土元素的掺杂量对多色电致发光的影响，通过理论计算预测了氮化镓基体能够实现基于红绿蓝三基色的发光器件，实现受电压控制的发光色度并能实现白光发光。但根据其计算结果，实现白光发光需要使器件工作在100v的反向偏压下，这不利于构建高可靠性的商业化产品。同时氮化镓中氮元素的存在还会和稀土元素形成没有光学活性的氮化物，造成器件的效率降低。
4、基于现有研究表明，氧元素的存在能够提高稀土元素的光学活性，为此宽带隙的氧化物半导体被认为是一种优异的稀土掺杂基质材料，基于稀土掺杂的宽带隙氧化物半导体器件已实现了多种稀土元素的发光。目前，对于此类稀土掺杂氧化物半导体电致发光器件，已有工作研究多色度发光器件的结构设计，如yafei huang,et al.,strategy towardwhite leds based on vertically integrated rare earth doped ga2o3 films,appliedphysics letters,volume 119,2021,062107：通过原子层沉积技术在p型砷化镓衬底上生长了具有周期结构的多层ga2o3薄膜，控制各层的厚度及层中的稀土元素含量实现了色度可调的电致发光并实现了白光电致发光，器件的开启电压为9v。然而，该器件需采用复杂的原子层沉积设备生长周期性结构，且镓元素属于贵金属，这增加了生产中的工艺步骤和成本；同时器件工作在较大的电流下(＞40ma)，这也对发光器件的长期稳定性存在一定的隐患。
5、所以，基于稀土元素的半导体电致发光器件目前的瓶颈在于缺少一种适宜的掺杂基质，在保证电学性能的前提下，能抑制俄歇复合效应实现较低驱动功率的电致发光；同时更为重要的是缺少对工艺步骤简单的低成本电致发光器件结构的研究与设计，以构建发光色度可控的多色发光器件。
6、针对本领域存在的不足之处，即①缺乏一种适宜的稀土掺杂基质材料，保证其制备的电致发光器件有较低的工作电压和电流，同时能抑制稀土元素的俄歇复合效应，且稀土离子在基体中具有较高的光学活性；②缺乏对电致发光器件发光机理的分析和对器件宏观结构的设计，尤其是针对于多种稀土元素构成的多色发光体系，以获得更高效的稀土元素电致发光；③缺乏工艺步骤简单，成本较低，生长方式兼容大规模工业化生产的电致发光器件制备探索。故专利技术人提出了一种新型的多层结构稀土掺杂氟氧化锡薄膜的制备方法，参见公开号为cn116334557a的专利说明书，其报道了在氟氧化锡基体中通过电子碰撞离化机制实现了强的近红外特征电致发光，表明氟氧化锡基体是一种优异的稀土掺杂基质材料。然而在此类结构的电致发光器件中，高能电子在基质中存在严重的散射效应，基于电子碰撞离化机制实现稀土离子电致发光的有效作用区域十分有限，无法充分利用整个薄膜区域，限制了发光强度的提升；同时由于稀土元素间的能量传递效应，此类单层器件结构难以实现多稀土共掺发光，这不能满足最初提出的利用稀土掺杂固态光源解决半导体发光和显示等领域中存在的问题，尤其是构建高性能色度可控的发光器件。
技术实现思路
1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于绝缘加速层效应提供热电子的电致发光器件，在各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜界面处引入的氧化铝中间加速层可以起到电子加速平台的作用，能够大大拓宽薄膜中稀土离子的有效激发区域同时也减小了高温热处理中薄膜的层间元素扩散，降低了稀土元素间的能量传递效应。在施加一定偏压的情况下，基于多层结构薄膜中的绝缘加速层效应产生高能电子，通过电子碰撞离化稀土离子可以实现较强的电致发光，并能通过改变各层的稀土元素种类、含量、单层薄膜厚度、薄膜总层数及注入电压调控器件的发光色度，能够实现色度准确的白光电致发光。
2、一种基于绝缘加速层效应提供热电子的电致发光器件，包括依次层叠的金属背电极、衬底、氧化硅加速层、多层稀土掺杂氟氧化锡薄膜和氧化物透明电极，其中相邻稀土掺杂氟氧化锡薄膜之间设置氧化铝中间加速层。
3、在一实施例中，所述金属背电极用于连接电源负极，所述氧化物透明电极用于连接电源正极。
4、在一优选例中，所述衬底为硅。通过硅衬底热氧化可便捷地获得氧化硅加速层。由于衬底电阻率的选取将影响器件的电学性能，本专利技术进一步优选电阻率小于0.1ω·cm的硅片为衬底，制备低开启电压的电致发光器件。
5、由于氧化硅加速层具有较高的电阻率，因此利用氧化硅加速层产生热电子时，器件的注入电压将有很大部分处于氧化硅加速层上，其内部具有较高的电场强度。如果氧化硅本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于绝缘加速层效应提供热电子的电致发光器件，其特征在于，包括依次层叠的金属背电极、衬底、氧化硅加速层、多层稀土掺杂氟氧化锡薄膜和氧化物透明电极，其中相邻稀土掺杂氟氧化锡薄膜之间设置氧化铝中间加速层。
2.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，所述氧化硅加速层的厚度为5～50nm。
3.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜中的稀土元素完全相同或部分相同或完全不同，分别独立选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，每层稀土掺杂氟氧化锡薄膜中，以稀土元素和锡元素的总原子数为100％计，稀土元素的原子百分占比分别独立为1％～10％。
5.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜的厚度分别独立选自10～50nm；
6.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，任意相邻稀土掺杂氟氧化锡薄膜之间的氧化铝中间加速层的厚度分别独立选自5～50nm。
7
8.根据权利要求1～7任一项所述的电致发光器件的制备方法，其特征在于，在衬底一侧制作氧化硅加速层，在氧化硅加速层上制作第一层稀土掺杂氟氧化锡薄膜，在第一层稀土掺杂氟氧化锡薄膜上依次交替制作氧化铝中间加速层和第n层稀土掺杂氟氧化锡薄膜，n≥2，直至多层稀土掺杂氟氧化锡薄膜制作完成，最后在衬底另一侧制作金属背电极，并在多层稀土掺杂氟氧化锡薄膜表面制作氧化物透明电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，以硅片为衬底。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，利用射频磁控溅射方法制作各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜和氧化铝中间加速层，然后对所得薄膜结构进行200℃以上的热处理，冷却后再进行金属背电极和氧化物透明电极的制作。
...【技术特征摘要】
1.一种基于绝缘加速层效应提供热电子的电致发光器件，其特征在于，包括依次层叠的金属背电极、衬底、氧化硅加速层、多层稀土掺杂氟氧化锡薄膜和氧化物透明电极，其中相邻稀土掺杂氟氧化锡薄膜之间设置氧化铝中间加速层。
2.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，所述氧化硅加速层的厚度为5～50nm。
3.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜中的稀土元素完全相同或部分相同或完全不同，分别独立选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，每层稀土掺杂氟氧化锡薄膜中，以稀土元素和锡元素的总原子数为100％计，稀土元素的原子百分占比分别独立为1％～10％。
5.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在于，各层稀土掺杂氟氧化锡薄膜的厚度分别独立选自10～50nm；
6.根据权利要求1所述的电致发光器件，其特征在...
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