專利名稱：摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光致發(fā)光器件及制備方法.尤其是是從發(fā)光機(jī)理和制備實(shí)施工藝兩方面提出一種新型的摻氧硅基氮化物薄膜發(fā)光二極管。所述發(fā)光器件的有源層為摻氧硅基氮化物薄膜。材料制備技術(shù)為低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)與等離子體氧化技術(shù)相結(jié)合。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體硅(Si)是當(dāng)前制備微電子器件最重要的材料，現(xiàn)代微電子工藝的飛速發(fā)展都是以硅材料為基礎(chǔ)?；诎雽?dǎo)體硅基材料的納電子和光電子集成是21世紀(jì)新一代半導(dǎo)體器件的核心，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。然而Si是否能在納電子器件時(shí)代繼續(xù)扮演重要角色，是否能實(shí)現(xiàn)Si單片光電集成？這是當(dāng)前材料科學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域中的重大研究課題，也是該學(xué)科的國(guó)際研究前沿，具有重要的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究意義。
眾所周知，由于晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，能帶窄，發(fā)光效率低，限制了其在光電器件方面的應(yīng)用，但是由于硅材料與目前成熟的微電子工藝的高度兼容性，科學(xué)家一直不斷的對(duì)其進(jìn)行探索。近十幾年來，許多實(shí)驗(yàn)和理論研究工作表明，當(dāng)Si材料的尺寸減小到幾納米(與電子的德布羅意波長(zhǎng)可相比擬)時(shí)，呈現(xiàn)出明顯的量子尺寸效應(yīng)，極大的改善其光學(xué)特性、發(fā)光效率。因此，基于這種物理特性的低維的硅基發(fā)光器件備受廣泛關(guān)注。在當(dāng)前眾多制備硅基發(fā)光器件的方法中，可歸結(jié)為三個(gè)主要途徑，(1)以多孔硅為有源層的發(fā)光器件，其優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單、光致發(fā)光效率高，但是其電致發(fā)光穩(wěn)定性差，效率低，且難以與目前成熟的微電子工藝相兼容，見[1]N.Koshida，et.al.Appl.Phys.Lett.60347(1992)。(2)以鑲嵌納米硅晶粒的二氧化硅及硅/二氧化硅超晶格為有源層的硅基發(fā)光器件。其優(yōu)點(diǎn)是納米硅表面穩(wěn)定性和剛性比多孔硅好得多，而且光致發(fā)光效率高，其中，令人鼓舞的突破性進(jìn)展是2000年在鑲嵌納米硅晶粒的二氧化硅系統(tǒng)中光增益的實(shí)現(xiàn)。然而其電致發(fā)光的進(jìn)展卻相當(dāng)緩慢，目前存在的主要問題是電致發(fā)光效率低、穩(wěn)定性差。這主要?dú)w咎于二氧化硅高的勢(shì)壘(8.5eV)，不利于載流子的注入，見[2]L.Pavesi，et.al，Nature408，440(2000)。(3)以硅基氮化物為有源層的發(fā)光器件。由于其具有高的穩(wěn)定性、相比于二氧化硅具有較低的勢(shì)壘及較強(qiáng)的光致發(fā)光而備受關(guān)注，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，見[3]L.-Y.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.86193506(2005)；K.S.Cho，et.al.Appl.Phys.Lett.86071909(2005)。
國(guó)際評(píng)論指出，硅基的單片光電集成的實(shí)現(xiàn)及實(shí)用化必須要求發(fā)光器件具有(1)較高的電致發(fā)光效率；(2)高的穩(wěn)定性；(3)低成本；(4)與當(dāng)前微電子工藝相兼容。因而尋找一種高發(fā)光效率、高穩(wěn)定性、低成本、且與當(dāng)前微電子工藝相兼的新型硅基薄膜發(fā)光材料和器件制備新技術(shù)，并有可能將其應(yīng)用于未來的光電子集成是本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)。在我們已建立的硅基發(fā)光器件的研究基礎(chǔ)上，見[4]K.J.Chen，X.F.Huang et.al.Appl.Phys.Lett.612069(1992)，M.X.Wang，K.J.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.72722(1998)。我們提出的新型硅基摻氧氮化物薄膜發(fā)光器件制備的新技術(shù)是在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)系統(tǒng)中，利用氧等離子體源氧化在室溫下生長(zhǎng)硅基氮化物，形成摻氧硅基氮化物，并以其作為有源層來制備發(fā)光器件。
通常用PECVD技術(shù)在常規(guī)溫度(300℃)下，以SiH4和NO2為氣源生長(zhǎng)的含氧a-SiNx薄膜能實(shí)現(xiàn)室溫的光致發(fā)光，但以它作為有源層的發(fā)光器件卻無法實(shí)現(xiàn)室溫電致發(fā)光，需經(jīng)過950℃熱退火后才能實(shí)現(xiàn)，而且發(fā)光弱，工作電流密度大，見[5]K.J.Price，et al.J.Appl.Phys.862638(1999)。
隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)信息的傳遞速度、處理功能提出了更高的要求。若能實(shí)現(xiàn)硅基的單片光電集成，用光子代替電子作為信息載體，則可極大的提高信息的傳輸速度和處理能力。近年來由國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明硅基的單片光電集成的實(shí)現(xiàn)及實(shí)用化，既要求器件有較高的電致發(fā)光效率及高的穩(wěn)定性，又要求較低的成本，同時(shí)與當(dāng)前微電子工藝相兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)以上的要求，提出在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)系統(tǒng)中，利用氧等離子體源氧化在室溫下生長(zhǎng)的硅基氮化物薄膜，經(jīng)氧等離子體氧化形成非晶態(tài)硅基氮化物(a-SiNx)薄膜(摻氧硅基氮化物薄膜)。并以其作為有源層，制備黃綠波段發(fā)光二極管。在實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)制備一種新型的硅基發(fā)光器件。本發(fā)明目的是提出一種在室溫下生長(zhǎng)的硅基氮化物，其發(fā)光原理為在摻氧硅基氮化物薄膜存在氧誘導(dǎo)的Si-O-N發(fā)光中心。
本發(fā)明的技術(shù)方案是摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管，其特征是在電阻率為4～20Ωcm的P型單晶硅片或ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜，薄膜厚度在40～100nm之間，在a-SiNx薄膜上再鍍有薄膜金屬電極；P型單晶硅片的另一面鍍有另一電極，ITO本身構(gòu)成另一電極。
對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，直接在有源層上蒸鍍一層1μm厚的金屬鋁(Al)薄膜作為陰極，Al電極為直徑為3mm的圓斑，其中以ITO為陽極的一端為光出射端。
對(duì)于以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，其陰極為一環(huán)形形狀、厚度1μm的金屬鋁(Al)薄膜，Al環(huán)的內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm；作為陽極的P型硅一側(cè)也蒸鍍一層厚度為1μm的Al薄膜作為接觸電極；以陰極一側(cè)為光發(fā)射端。
摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管及制備方法，室溫(10～30℃)生長(zhǎng)非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)技術(shù)，采用硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)作為反應(yīng)氣源，在P型單晶硅片或ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜由SiH4+NH3通過輝光分解反應(yīng)而成，其中SiH4流量為6～10sccm，NH3流量為20～40sccm；淀積時(shí)間為80～160s，薄膜厚度為40～100nm；功率源頻率13.56MHz功率密度0.4～1W/cm2，反應(yīng)腔壓力60～100Pa在80～110℃襯底溫度下，在等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)系統(tǒng)內(nèi)，用等離子體氧化室溫生長(zhǎng)的a-SiNx薄膜具體工藝條件如下，功率源頻率13.56MHz，功率密度0.4～1W/cm2，反應(yīng)腔壓力30～70Pa，O2流量20～35sccm，氧等離子體處理時(shí)間10～40min。
1、本發(fā)明原理薄膜器件的電致發(fā)光是在外加偏壓的作用下，電子和空穴分別從器件的陰極和陽極注入到器件的有源層中，通過有源層的發(fā)光中心輻射復(fù)合發(fā)光的現(xiàn)象。器件的電致發(fā)光與有源層材料的發(fā)光中心密切相關(guān)，改善有源層的結(jié)構(gòu)特性，增加有源層材料的發(fā)光中心密度，有利于提高器件的電致發(fā)光強(qiáng)度及效率。本發(fā)明通過在室溫生長(zhǎng)的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜中摻入氧，形成以Si-O形式為主的發(fā)光中心，獲得高強(qiáng)度的黃綠光硅基發(fā)光器件。
本發(fā)明技術(shù)方案由于采用室溫PECVD技術(shù)生長(zhǎng)的含氧a-SiNx薄膜，提高了a-SiNx有源層中的Si-O發(fā)光中心密度而極大的改善了器件的發(fā)光特性，除此，這種方法既與當(dāng)前微電子工藝技術(shù)相兼容，又能極大的降低生產(chǎn)成本，更為重要的是，這種新型的硅基器件實(shí)現(xiàn)了室溫電致發(fā)光，它的發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)，開啟電壓低，因此利用這種低溫制備方法非常有望實(shí)現(xiàn)硅基單片光電集成，在未來的納米光電子集成器件領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景和價(jià)值。
2、新型硅基發(fā)光器件有源層的制備(1)室溫生長(zhǎng)非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)技術(shù)，在室溫下，采用硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)作為反應(yīng)氣源，在電阻率為4-20Ωcm的P型單晶硅片以及ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜，薄膜厚度可在40-100nm之間。
(2)氧等離子體氧化非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜在襯底溫度為100℃的條件下，在PECVD系統(tǒng)中，原位使用等離子體源氧化技術(shù)氧化在室溫生長(zhǎng)的a-SiNx薄膜，以形成含氧的a-SiNx薄膜。以這層薄膜作為器件的有源層。
3、發(fā)光器件的電極制備及結(jié)構(gòu)采用熱蒸發(fā)技術(shù)，對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，直接在有源層上蒸鍍一圓形形狀的金屬鋁(Al)薄膜作為陰極，器件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中以ITO為陽極的一端為光出射端。
對(duì)于以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，其陰極為一環(huán)形形狀的金屬鋁(Al)薄膜，作為陽極的P型硅一側(cè)也蒸鍍一層厚度為1μm的Al薄膜作為接觸電極。器件結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，以陰極一側(cè)為光發(fā)射端。
4、器件電致發(fā)光特性圖2(a)和(b)示出基板分別為ITO/玻璃和P型硅片的發(fā)光器件在正向偏置電壓下的電致發(fā)光譜。對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，當(dāng)電壓為9V時(shí)，即可啟動(dòng)發(fā)光，在暗室里可清楚地觀察到黃綠光；對(duì)于以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，開啟電壓降為6V。對(duì)于這兩種采用不同陽極材料的器件，電致發(fā)光的峰位均不依賴于工作電壓，而電致發(fā)光強(qiáng)度則隨工作電壓的增加而迅速增強(qiáng)。如圖2(a)插圖所示，當(dāng)電壓為15V時(shí)，可在弱光下看到較強(qiáng)的黃綠光。
本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)系統(tǒng)中，利用等離子體源氧化技術(shù)氧化室溫生長(zhǎng)的硅基氮化物，并以其作為有源層制備的發(fā)光器件具有以下優(yōu)點(diǎn)1.器件開啟電壓低相比于目前國(guó)際上單純采用a-SiNx作為有源層的發(fā)光器件的開啟電壓(10～12V)，采用我們提出的這種技術(shù)方案研制的發(fā)光器件開啟電壓僅為6V，降低了4V以上。這有助于降低器件的功耗。如圖2、3所示。
2.發(fā)光亮度強(qiáng)且工作電流密度低利用本技術(shù)方案研制的發(fā)光器件在室溫弱光下能肉眼看到其發(fā)出的較強(qiáng)的黃綠光，并且其工作電流密度低，僅為110-130mA/cm2，甚至遠(yuǎn)小于目前國(guó)際上單純采用a-SiNx作為有源層的發(fā)光器件的開啟電流密度，這也表明我們研制的發(fā)光器件效率高。
3.發(fā)光器件是在低溫(100℃)下研制的，相對(duì)于通常襯底溫度在250℃以上的常規(guī)技術(shù)，這種低溫制備技術(shù)不僅與目前微電子工藝相兼容，而且能極大的降低生產(chǎn)成本，非常有望實(shí)現(xiàn)硅基單片光電集成。
4.本發(fā)明方法可推廣應(yīng)用，采用熱氧化方法氧化室溫生長(zhǎng)的硅基氮化物也可實(shí)現(xiàn)以上器件功能。
5.本發(fā)明有望應(yīng)用于硅基單片光電集成。
四

圖1(a)以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)圖；(b)以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)圖。
圖2(a)以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件的發(fā)光譜圖及發(fā)光照片。(b)以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件的發(fā)光譜圖及環(huán)形電極照片。從(a)和(b)圖可看到，隨工作偏壓的增加，發(fā)光譜峰逐漸增強(qiáng)，即器件發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。
圖3以ITO為陽極和以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件在正向偏置電壓下的電流-電壓特性。
五具體實(shí)施例方式1、新型硅基發(fā)光器件有源層的制備(1)室溫生長(zhǎng)非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)技術(shù)，采用硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)作為反應(yīng)氣源，在電阻率為4-20Ωcm的P型單晶硅片以及ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜。制備時(shí)的具體工藝條件如下功率源頻率 13.56MHz功率密度0.6W/cm2反應(yīng)腔壓力 80Pa襯底溫度25℃在淀積a-SiNx薄膜時(shí)，由SiH4+NH3通過輝光分解反應(yīng)而成，其中SiH4流量為8sccm(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)，NH3流量為32sccm；淀積時(shí)間為130s，薄膜厚度為80nm。
(2)等離子體氧化室溫生長(zhǎng)的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜在100℃襯底溫度下，在等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)系統(tǒng)中，用等離子體氧化室溫生長(zhǎng)的a-SiNx薄膜。具體工藝條件如下功率源頻率13.56MHz；功率密度0.6W/cm2反應(yīng)腔壓力40Pa；襯底溫度100℃；O2流量27sccm，氧等離子體處理時(shí)間20min。
2、發(fā)光器件的電極制備及結(jié)構(gòu)采用熱蒸發(fā)技術(shù)，對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，直接在有源層上蒸鍍一層1μm厚的金屬鋁(Al)薄膜作為陰極，Al電極為直徑為3mm的圓斑，器件結(jié)構(gòu)如圖一(a)所示，其中以ITO為陽極的一端為光出射端。
對(duì)于以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，其陰極為一環(huán)形形狀、厚度1μm的金屬鋁(Al)薄膜，Al環(huán)的內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm。作為陽極的P型硅一側(cè)也蒸鍍一層厚度為1μm的Al薄膜作為接觸電極。器件結(jié)構(gòu)如圖一(b)所示，以陰極一側(cè)為光發(fā)射端。電極制備的具體工藝條件為蒸發(fā)電流3.5A蒸發(fā)時(shí)間25s 電極厚度1μm
權(quán)利要求
1.摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管，其特征是在電阻率為4-20Ωcm的P型單晶硅片或ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜，薄膜厚度在40-100nm之間，在a-SiNx薄膜上再鍍有薄膜金屬電極；P型單晶硅片的背面鍍有另一電極，ITO本身構(gòu)成另一電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求要求1所述的摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管，其特征是對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，直接在有源層上蒸鍍一層1μm厚的金屬鋁(Al)薄膜作為陰極，Al電極為直徑為3mm的圓斑，其中以ITO為陽極的一端為光出射端。
3.根據(jù)權(quán)利要求要求1所述的摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管，其特征是對(duì)于以電阻率為4-20Ωcm的P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，其陰極為一環(huán)形形狀、厚度1μm的金屬鋁(Al)薄膜，Al環(huán)的內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm；作為陽極的P型硅一側(cè)也蒸鍍一層厚度為1μm的Al薄膜作為接觸電極；以陰極一側(cè)為光發(fā)射端。
4.摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管制備方法，其特征是室溫10-30℃生長(zhǎng)非晶氮化硅薄膜，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積，采用硅烷和氨氣作為反應(yīng)氣源，在P型單晶硅片或ITO玻璃襯底上淀積a-SiNx薄膜由SiH4+NH3通過輝光分解反應(yīng)而成，其中SiH4流量為6～10sccm，NH3流量為20～40sccm；淀積時(shí)間為80～160s，薄膜厚度為40-100nm；功率源頻率13.56MHz，功率密度0.4～1W/cm2，反應(yīng)腔壓力60～100Pa；在80～110℃襯底溫度下，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)技術(shù)，用等離子體氧化室溫生長(zhǎng)的a-SiNx薄膜功率源頻率13.56MHz，功率密度0.4～1W/cm2，反應(yīng)腔壓力30～70Pa，O2流量20～35sccm，氧等離子體處理時(shí)間10～40min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管制備方法，其特征是發(fā)光器件的電極制備方法是采用熱蒸發(fā)技術(shù)，對(duì)于以ITO為陽極的硅基發(fā)光器件，直接在有源層上蒸鍍一層1μm厚的金屬鋁薄膜作為陰極；對(duì)于以P型硅為陽極的硅基發(fā)光器件，其陰極為一環(huán)形形狀、厚度1μm的金屬鋁薄膜，Al環(huán)的內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm；作為陽極的P型硅一側(cè)也蒸鍍一層厚度為1μm的Al薄膜作為接觸電極蒸發(fā)電流3.5 A，蒸發(fā)時(shí)間25s，電極厚度1μm。
全文摘要
摻氧硅基氮化物薄膜黃綠波段發(fā)光二極管，在電阻率為4－20Ωcm的P型單晶硅片或ITO玻璃襯底上淀積a－SiN
文檔編號(hào)H01L33/00GK101017873SQ200710020068
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者黃銳, 陳坤基, 錢波, 韓培高, 李偉, 徐駿, 王祥, 馬忠元, 黃信凡 申請(qǐng)人:南京大學(xué)