專利名稱：提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方 法，尤其是一種利用有序納米圖形襯底提高納米硅/二氧化硅多層膜 發(fā)光器件發(fā)光強度的方法，屬于半導體發(fā)光器件技術領域。
背景技術：
硅基半導體是現(xiàn)代微電子產業(yè)的基石，隨著微電子工藝技術的不 斷發(fā)展，器件的尺寸日益縮小，現(xiàn)已進入到納米量級。因而研究硅基 納米材料的制備、性能與器件應用已成為當前國際上的前沿與熱點課 題。另一方面，隨著尺寸的不斷縮小，雖然邏輯開關速度得到了量級
的提高，但是，受到RC時延的限制，使得單機運算速率不能夠有效 的提高，這就限制了微電子器件的進一步發(fā)展。
為了解決信息的高速傳輸與處理的問題以滿足未來信息社會的 需求，人們把信息載體的目光從電子轉向了光子，硅基光電子學與光 子學應運而生。目前，光電子技術正處在高速發(fā)展階段，在很多方面 都取得了極大進展。但是，目前的半導體發(fā)光器件多是利用非硅基的 化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，成為阻礙實現(xiàn)硅基光電子 集成的主要技術難點。因此，將硅基光子技術和微電子技術集合起來， 發(fā)展硅基光電子科學和技術，制備硅基電泵光源將具有重大的意義。
由于單晶硅是間接能隙半導體材料，其輻射復合的幾率遠遠低于
非輻射復合幾率，因而硅基材料的發(fā)光效率很低。為了克服這一問題， 人們開始研究硅基納米材料的制備與發(fā)光性質，希望將體硅材料，通 過一定的技術手段，制作成在三維空間尺寸都在納米量級的硅材料， 即硅基納米結構，利用將載流子在空間局域在納米尺度范圍內，以提 高載流子(電子和空穴)的輻射復合幾率。在這一方面，納米硅/二
4氧化硅體系已成為一個很有發(fā)展?jié)摿Φ难芯繉ο?，人們特別關注的是 具有實用意義的硅基電致發(fā)光器件的設計與制備。然而，這種硅基納
米結構不可避免地導致介質層Si02的介電性能的降低，使得器件的
漏電流較大，載流子有效注入降低。另外，平整光滑表面襯底上的多 層膜對光具有橫向光波導作用，使得部分光從橫向泄露出去，降低了 光的面發(fā)射效率，不利于光的提取。于是，漏電流較大，載流子有效 注入效率不高，光的提取效率不高，這一系列因素都成為提高器件發(fā) 光效率的絆腳石。
針對這些問題，國內外的眾多研究小組對器件結構及制備方法進
行了探索與改進，主要涉及到的工作有調節(jié)合適的襯底溫度和生長 功率，用PECVD的方法使襯底表面形成金字塔型粗糙表面，該結構形 如尖端電極，產生場發(fā)射效應增強了載流子的FN隧穿，提高了載流 子的注入從而提高了器件的發(fā)光效率([1] APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 093126 2006 )。還有研究者在完成器件薄膜淀積之后在上電極之 上通過光刻過程、平臺結構(mesa structure )、感應耦合等離子體 刻蝕一 系列步驟制備微米量級的周期性排列的非晶氮化硅柱，形成有 序粗糙的表面，使得有源層的發(fā)射的光更容易被折射出來，提高了光 的提取效率([2] APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 191120 2006 )。上 述兩種方法分別從提高載流子注入和光的提取效率的角度，在一定程 度上提高了器件的發(fā)光效率，第一個方法是用PECVD技術在襯底表面 形成金字塔粗糙表面，與薄膜的生長方法一致，因此簡單易行，但是 該方法可控性較差，不易于人為調制金字塔的分布、尺寸與其均勻性。 第二個方法在電極上方制備了周期性結構的非晶氮化硅柱，有效提高 了光的提取效率，但是該方法是在完成薄膜制備后進行的，所采用的 光刻以及等離子體刻蝕等步驟可能會傷害到有源層薄膜。
鑒于以上技術的優(yōu)缺點可知，要想提高器件的發(fā)光效率，需要綜合考慮諸多因素，如何提高載流子的注入效率與光的提取效率成為技
術關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā) 光強度的方法。
為了達到以上目的，本發(fā)明的提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā) 光強度的方法包括以下步驟
第一步..將硅襯底放入等離子體刻蝕設備內，以具有微孔的聚苯 乙烯小球為掩模(微孔的孔徑以小于等于200nm為宜)，通入CF4刻 蝕氣源，對硅襯底表面進行等離子體刻蝕，得到具有陣列式分布納米 硅錐結構表面的納米^圭襯底。
第二步、將納米硅襯底放入等離子化學氣相沉積設備的電極之 間，通入Si仏氣體，電極之間施加電壓后在納米硅襯底的硅錐結構 表面淀積a-Si:H (含氫非晶硅)薄膜；
第三步、形成a-Si:H薄膜之后，通入02氣體，電極之間施加電 壓后在a-Si: H薄膜上淀積Si02薄膜；
第四步、重復第二步和第三步，直至獲得預定周期的a-Si: H/ Si。2薄膜；
第五步、^出形成預定周期a-Si: H/ Si02薄膜的納米石圭襯底， 放入退火爐內，升溫至45Q 士50。C,保溫40土5分鐘，完成脫氫退 火；
第六步、迅速升溫至IOOO 土50。C,保溫50土10秒，完成快速 熱退火；
第七步、冷卻至常溫后，升溫至IOOO 士5(TC，保溫1±0. l小 時，完成穩(wěn)態(tài)高溫退火，得到陣列式分布預定周期的nc-Si/Si02薄 膜(納米硅/二氧化硅)；
6第八步、在nc-Si/Si02薄膜表面及襯底底部蒸鍍Al膜，形成電極。
以上方法將具有平整光滑表面的硅襯底經過自組裝和刻蝕處理 后，呈現(xiàn)陣列式有序分布的納米硅錐表面形貌，然后利用等離子體 增強化學氣相淀積技術在處理過的襯底上制備非晶Si/Si02多層膜 結構，根據(jù)等離子體增強化學氣相淀積的原理，等離子體在其與襯 底之間勢場的作用下，向襯底碰撞式沉積。對于刻蝕過的襯底，在 納米硅錐頂部以及硅推之間的谷底，非晶硅薄膜的淀積和隨后的原 位氧化過程與未刻蝕的襯底上的相似；而對于納米《i錐的側壁，其 上的多層膜的淀積過程受表面形貌的影響比較大。由于側壁與勢場 的方向發(fā)生偏離，等離子體的撞擊式淀積的速度下降，得到的薄膜 則會比淀積在未刻蝕的具有平整的光滑表面的襯底上的疏松，那么， 隨后的原位氧化過程會比較容易進行，從而得到較厚的氧化層。于 是在納米硅錐的側壁形成了以氧化硅為主體的結構，從整體上形成 了由氧化硅隔離開的橫向尺寸在50-8Onm的硅/氧化硅多層膜的陣列 式分布結構。注入的電流在橫向就被限制在50-80nm范圍內，在很 大程度上降低了漏電流；村底表面的硅推形如尖端電極，產生場發(fā) 射效應，促進載流子的隧穿注入發(fā)光有源層，提高了載流子注入效 率；陣列式分布的納米硅錐表面結構，抑制了光的橫向波導效應， 并且由于硅推粗糙表面的存在，使得更多的光被折射出去，提高了 光的提取效率。因此，由此構成的硅基發(fā)光二極管器件結構從多方 面的角度出發(fā)，可以有效提高了器件的發(fā)光強度。
總之，采用本發(fā)明的上述方法具有以下有益效果
1 )陣列式的硅錐粗糙表面增強了場發(fā)射效應，提高了載流子的 隧穿，從而使得載流子的注入效率得以提高。
2)由于多層膜長在周期性起伏的粗糙表面上，最后形成的器件表面基本保持襯底的原有粗糙形貌，這樣有源層發(fā)射的光更容易在 表面被折射出去，從而提高了器件的光提取效率。
3)由于形成了由Si02隔離的橫向尺寸在50-80nm的陣列式分布 的預定周期nc-Si/Si02薄膜結構，因此限制了器件的漏電流和功耗。
4 )相對于其他構建粗糙表面形態(tài)的方法需要在完成淀積薄膜之 后對表面進行光刻、等刻等一系列處理，難免會對薄膜造成傷害， 而本方法則是從襯底入手，因此不會影響薄膜質量。
5)整個制備過程操作簡單，工藝可靠，參數(shù)可精確調節(jié)，有4艮 好的可控性與重復性。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1為本發(fā)明由氧化硅分隔開的陣列式分布的硅/二氧化硅多層 膜結構的分布示意圖。
圖2為淀積在未刻蝕襯底上硅/二氧化硅多層膜結構的透射電子 顯微鏡照片。
圖3為淀積在刻蝕過襯底上硅/二氧化硅多層膜結構的透射電子 顯微鏡照片。
圖4為陣列表面結構的襯底上淀積有Si/Si02多層膜的樣品的 AFM照片。
圖5上部為淀積在具有光滑表面Si襯底上的Si/Si02多層膜的 電致發(fā)光結果，開啟電壓為7V;下部為淀積在具有陣列式分布納米 硅錐表面結構的襯底上Si/Si02多層膜的電致發(fā)光結果，開啟電壓降
為3V。
圖6為電流電壓特性曲線對比最低位的細實線曲線代表淀積 在具有平滑表面的襯底上的Si/Si02多層膜的電流電壓關系，最高位 的星點曲線代表淀積在具有陣列式分布的納米硅錐表面結構的Si/Si02多層膜的電流電壓關系曲線。
圖7為電致發(fā)光積分強度隨注入電流的變化關系曲線。
具體實施方式
實施例一
本實施例提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方法具體步 驟如下
1)將硅襯底放入等離子體刻蝕設備(SAMCO公司，型號為RIN-10 ) 內，以微孔孔徑小于200nm的聚苯乙烯小球為掩模，通入CF4刻蝕氣 源，對硅襯底表面進行等離子體刻蝕，得到具有陣列式分布納米硅錐 結構表面的納米硅襯底。陣列式的納米硅錐表面形貌如圖l所示。具 體的設備控制參it為功率源頻率13. 56MHz，功率30 W，直流 偏壓40 V， CF4流量30 ± 10sccm( standard-state cubic centimeter per minute標況毫升/分鐘)，刻蝕溫度室溫。
2 )將納米硅襯底清洗后放入等離.子化學氣相沉積設備的電極之間， 通入SiH4氣體，電極之間施加電壓62士2V后，在納米硅襯底的硅錐 結構表面淀積a-Si:H (含氫非晶硅)薄膜。具體的設備控制參數(shù)為 射頻源將功率30 W，溫度250 ±10 °C, SiH4流量5士2sccm , 氣壓33 土5mTorr(毫托)，淀積時間10±2秒。
3 )形成a-Si: H薄膜之后，通入02氣體，電極之間施 加電壓57 ± IV 后，在a-Si:H薄膜上淀積Si02薄膜。具體的設備控制參數(shù)為02 流量20土2sccm ,氣壓100士5mTorr，淀積時間60±5秒。
4)重復第2)步和第3)步，直至獲得預定周期的a-Si: H/ Si02 薄膜。通過控制周期數(shù)可以調節(jié)器件的厚度，為了不影響載流子的注 入，本實施例的周期數(shù)定為8。
5 )取出形成所需8周期a-Si: H/ Si02薄膜的納米硅襯底，放入爐 式穩(wěn)態(tài)熱退火爐(上海意豐電爐有卩艮公司，型號為YFFK60的RTP-300Rapid thermal Processor)內，在N2氣氛保護下，升溫至450 。C， 保溫4G分鐘，完成脫氪退火。
6) 在N2氣氛保護下，迅速升溫至1000 。C，(平均升溫速率24 ±2 。C/s)，保溫50秒，完成快速熱退火。
7) 冷卻至常溫后，轉移至高溫電阻爐(上海意豐電爐有P艮^^司，型 號為YFFK60),在N2氣氛保護下，升溫至1000 。C ，保溫1小時， 完成穩(wěn)態(tài)高溫退火，得到所需8周期的nc-Si/Si02薄膜(納米硅/ 二氧化硅)。
8) 在nc-Si/Si02薄膜表面按照常規(guī)方法蒸鍍Al膜，形成電極，制 成電致發(fā)光器件。下電極與硅襯底的底面接觸，厚度為500 土20nm; 為了出光效果好，上電極與ric-Si/Si02薄膜表面接觸，厚度應盡量 減小，以100 ± 10 nm為宜。
檢測后可以得到圖2至圖7的有關結果。由圖2可以看出未刻 蝕過的襯底上的多層膜具有良好的周期完整性和連續(xù)性。由圖3可 以看出刻蝕過的襯底上的多層膜在納米硅錐的頂部保持了周期性， 在納米硅錐的側壁上的薄膜周期性受到破壞，形成了以Si02為主體 的結構。
由圖5可以看出，淀積在具有陣列式分布納米石圭錐表面結構的 襯底上Si/Si02多層膜的電致發(fā)光強度為淀積在具有光滑表面Si襯 底上的Si/Si02多層膜的電致發(fā)光強度的50倍。由圖6可以看出， 在相同的偏壓下，刻蝕過的襯底上的多層膜的注入電流降低，說明 由于Si02的分隔作用，使得漏電流降低。由圖7可以看出，在刻蝕 過的硅襯底上制備的電致發(fā)光器件由于漏電流得到有效的降低，導 致開啟電壓降低，發(fā)光效率得到了明顯的提高。
總之，本實施例將以下兩個方面的技術創(chuàng)新相結合，顯著提高 了納米硅/二氧化硅發(fā)光器件的發(fā)光強度2 、具有有序圖形表面形貌的納米硅基發(fā)光二極管器件的制備與構 成利用等離子體增強化學氣相淀積技術，在刻蝕過的具有二維有 序納米圖形單晶硅襯底上，淀積硅/二氧化硅多層膜結構，根據(jù)等離 子體增強化學氣相淀積的制備原理，在納米硅錐的頂部和底部得到 基本保持層狀結構的硅/二氧化硅多層膜結構，在納米硅錐的側壁上，由于襯底表面的方向偏離等離子體與襯底之間的勢場方向，碰 撞式淀積的速度和薄膜密度降低，得到的非晶硅薄膜比較疏松，隨 后的原位氧化過程中，更多的非晶硅被氧化，相對于頂部，得到更 厚的氧化硅層，那么，從整體上看，得到由氧化硅分隔的陣列式分 布的硅/二氧化硅多層膜結構。隨后，對制備得到的陣列式分布的多層膜結構進行退火后處理， 得到納米硅/二氧化硅多層膜結構，通過蒸鍍形成電極。從而完成了 基于陣列式分布的納米硅/二氧化硅多層膜結構的電致發(fā)光器件的 制備。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替 換或等效變換形成的技術方案(例如適當改變聚苯乙烯小球的直徑、 襯底的刻蝕條件、a-Si: H/ Si02薄膜的生長條件、襯底的類型及摻 雜濃度等等)，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權利要求
1.一種提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方法，其特征在于包括以下步驟第一步、將硅襯底放入等離子體刻蝕設備內，以具有微孔的聚苯乙烯小球為掩模，通入CF4刻蝕氣源，對硅襯底表面進行等離子體刻蝕，得到具有陣列式分布納米硅錐結構表面的納米硅襯底。第二步、將納米硅襯底放入等離子化學氣相沉積設備的電極之間，通入SiH4氣體，電極之間施加電壓后在納米硅襯底的硅錐結構表面淀積a-Si:H薄膜；第三步、形成a-Si:H薄膜之后，通入O2氣體，電極之間施加電壓后在a-Si:H薄膜上淀積SiO2薄膜；第四步、重復第二步和第三步，直至獲得預定周期的a-Si:H/SiO2薄膜；第五步、取出形成預定周期a-Si:H/SiO2薄膜的納米硅襯底，放入退火爐內，升溫至450±50℃，保溫40±5分鐘，完成脫氫退火；第六步、迅速升溫至1000±50℃，保溫50±10秒，完成快速熱退火；第七步、冷卻至常溫后，升溫至1000±50℃，保溫1±0.1小時，完成穩(wěn)態(tài)高溫退火，得到陣列式分布預定周期的nc-Si/SiO2薄膜；第八步、在nc-Si/SiO2薄膜表面及襯底底部蒸鍍Al膜，形成電極。
2. 根據(jù)權利要求1所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方法，其特征在于所述陣列式分布預定周期nc-Si/Si02薄膜的橫 向尺寸由SiOJ鬲離在50-80nrn范圍。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光 強度的方法，其特征在于所述聚苯乙烯小球的微孔孔徑小于等于 200nm。
4. 根據(jù)權利要求3所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強 度的方法，其特征在于所述第一步中C&流量控制在30土10sccm。
5. 根據(jù)權利要求4所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強 度的方法，其特征在于所述第二步中，溫度控制在250 ±10 °C, SiH4 流量控制在5土2sccm ，氣壓控制在33 士5mTori',淀積時間控制在 10 ± 2秒。
6. 根據(jù)權利要求5所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強 度的方法，其特征在于所述第三步中02流量控制在20±2sccm, 氣壓控制在100 ± 5mTorr，淀積時間控制在60 ± 5秒。
7. 根據(jù)權利要求6所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強 度的方法，其特征在于所述第五步至第七步的退火均在N,氣氛保 護下進行。
8. 根據(jù)權利要求1.所述提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強 度的方法，其特征在于所述第八步中，下電極與硅襯底的底面接 觸，厚度為500 土20賜；上電極與nc-Si/Si02薄膜表面接觸，厚度 為100 ±10 nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高納米硅/二氧化硅發(fā)光器件發(fā)光強度的方法，屬于半導體發(fā)光器件技術領域。該方法的主要步驟為以聚苯乙烯小球為掩模，對硅襯底表面進行等離子體刻蝕；在納米硅襯底的硅錐結構表面淀積多層a-Si:H/SiO₂薄膜；再放入退火爐內，先后完成脫氫退火、快速熱退火和穩(wěn)態(tài)高溫退火，得到預定周期的nc-Si/SiO₂薄膜。本發(fā)明的主要有益效果是陣列式的硅錐粗糙表面增強了場發(fā)射效應，從而使得載流子的注入效率得以提高，并提高了器件的光提取效率，限制了器件的漏電流和功耗，不會影響薄膜質量，操作簡單，工藝可靠，參數(shù)可精確調節(jié)，有很好的可控性與重復性。
文檔編號H01L33/00GK101667619SQ200910183439
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權日2009年9月11日
發(fā)明者宇 劉, 孫紅程, 嶺 徐, 駿 徐, 明 戴, 偉 李, 陳坤基, 陳德媛, 韋德遠, 馬忠元, 黃信凡 申請人:南京大學