一種硅基金屬微腔電致發(fā)光器件及制備方法
【專利摘要】一種硅基金屬微腔電致發(fā)光器件，自上至下為半透明金屬反射鏡，有源層，ITO電極，2-8個周期底部DBR、每周期厚度為共振光波長的二分之一，金屬薄膜，石英基底；以SiC材料作為有源層，厚度為共振波長的1/2，半透明金屬反射鏡作為微腔的一面反射鏡和出光面。制備方法的步驟：利用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)，在用硅烷和甲烷作為反應起源，在石英襯底上交替生長具有兩種不同組分的SiC薄膜，構(gòu)成全SiC材料的DBR結(jié)構(gòu)；這兩種組分的SiC薄膜淀積時的流量比R=CH4/SiH4分別是1和10；在DBR結(jié)構(gòu)上制備有源層，仍采用流量比R=10的SiC薄膜。本發(fā)明采用較少周期的DBR達到同樣反射效果，增強方法的可操作性，重復性。
【專利說明】一種硅基金屬微腔電致發(fā)光器件及制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件【技術(shù)領域】。涉及電致發(fā)光器件，尤其是硅基金屬微腔電致發(fā)光器件及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅(Si)基光源是實現(xiàn)硅基單片光電集成，即滿足當今信息技術(shù)對高速、大容量的迫切要求，利用光信號完成片上各單元間的信息傳遞的最關鍵的部件。但遺憾的是，硅基光源的實現(xiàn)一直是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。由于晶體硅是間接帶隙半導體，其發(fā)光效率非常低下，內(nèi)量子效率僅為10_6。為了實現(xiàn)硅基材料的高效發(fā)光，特別是電致發(fā)光，硅納米低維結(jié)構(gòu)(量子阱、量子線、量子點)及結(jié)合各種途徑(表面粗糙化、表面等離激元共振、光學微腔)可以用來提高其發(fā)光效率。其中利用硅基微腔來調(diào)節(jié)薄膜的發(fā)光行為一直是近年來研究的熱點和重點[1-3]。
[0003]光學微腔可以用來有效控制腔中電偶極子的自發(fā)輻射速率，調(diào)制腔中光場的模式密度分布，保證共振條件的光模式得到加強，而抑制非共振條件的光模式，使發(fā)射光譜窄化。最簡單的微腔結(jié)構(gòu)是一維的Fabry-Perot共振腔,構(gòu)成Fabry-Perot共振腔的反射鏡可以采用分布式介質(zhì)Bragg反射鏡(DBR),而有源層則夾在兩個介質(zhì)反射鏡之間。介質(zhì)DBR相當于一維光子晶體，為兩種折射率不同材料交替生長的多層膜，每一層的厚度都為光波長的四分之一，這種周期結(jié)構(gòu)具有光子帶隙，對相應波長的光子起到了鏡面反射的作用。這一結(jié)構(gòu)另外一個突出的優(yōu)點為介質(zhì)反射鏡對于紅外，可見光，甚至是紫外光都具有非常小的吸收，這對微腔共振光出射是極為有利的。
[0004]如何在硅基發(fā)光材料中實現(xiàn)共振腔的電致發(fā)光是人們一直關注的課題。硅基光學微腔結(jié)構(gòu)，由于采用硅的化合物(如SiO2, SiNx)形成高反射率的DBR結(jié)構(gòu)，電注入很困難。所以目前報道的平面微腔、微盤、微環(huán)式微腔都是僅限于光泵浦來激發(fā)[1-3]。而要實現(xiàn)一種高效率電泵浦微腔發(fā)光，就必須對結(jié)構(gòu)進行仔細的設計。德國的研究小組采用PN電流注入結(jié)構(gòu)，縱向光學選模的方式制備了電致發(fā)光二極管(LED)，其品質(zhì)因子達到了 143[4]。而美國特拉華大學則采用縱向電流注入方式將電極加在納米硅有源層兩面，形成電接觸，所制備的共振腔LED的品質(zhì)因子只有42，量子效率僅為10_6[5]。最近，C.K.Tseng等人[6]制備了一種混合結(jié)構(gòu)的一維光學微腔。底部采用Si/Si02多層膜的DBR結(jié)構(gòu)，出光面為半透明Au膜，夾在兩反射鏡中間的有源層為鑲嵌在SiO2中的納米硅薄膜。為了實現(xiàn)電致發(fā)光，他們在有源層與DBR界面處插入了 η型多晶硅作為導電層。電致發(fā)光測試表明650nm處為共振腔的發(fā)光模式，譜線的半高寬收縮為沒有共振腔時的八分之一，發(fā)光強度比沒有共振腔時提高了 4倍。他們還研究了不同的有源層厚度(共振腔的長度)，金屬的厚度對共振波長與強度的關系。他們的工作表明在對硅基微腔電致發(fā)光器件進行設計時，不僅要考慮電極所處的位置，還要考慮金屬所導致的共振腔選模時相位的變化，否則很難達到預期的效果[7]。
[0005]參考文獻:[0006][I]K.J.Vahala, Nature424 (2003) 839
[0007][2]X.Qiu, X.Tan, Z.Wang, et al.J.Appl.Phys.100 (2006) 074503
[0008][3] J.Jasieniak, C.Sada, A.Chiasera, et al.Adv.Funct.Mater.18 (2008) 3772
[0009][4] J.Potfajova, B.Schmidt, M.Helm, et al.Appl.Phys.Lett.96 (2010) 151113
[0010][5]T.Creazzo, B.Redding, E.Marchena, et al.Thin Solid Films518 (2010) 4394
[0011][6]C.-K.Tseng, M._C.M.Lee, H.-ff.Hung, et al.J.Appl.Phys.1ll (2012) 074512
[0012][7]H.Becker, S.Burns, N.Tessler, et al.J.Appl.Phys.81 (1997) 2825

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是:提出一種電致發(fā)光器件，尤其是一種硅基金屬微腔電致發(fā)光器件及制備方法，通過底部反射面為金屬/DBR的混合結(jié)構(gòu)，可以采用較少周期的DBR達到同樣的反射效果，增強實驗的可操作性，重復性。通過在底部DBR與有源層之間插入ITO薄膜作為電極，增加電注入導電性，同時其厚度的變化可以用來調(diào)節(jié)共振波長。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:硅基金屬微腔電致發(fā)光器件，自上至下為半透明金屬反射鏡、有源層、ΙΤ0、底部DBR為2-8個周期，每周期光學厚度為共振波長的二分之一，金屬薄膜，石英基底；以SiC材料作為有源層，厚度為共振波長的1/2，半透明金屬反射鏡作為微腔的一面反射鏡和出光面；
[0015]尤其是底部DBR與石英基底之間設有金屬薄膜來增加其反射率；此反射鏡則為硅基材料構(gòu)成的分布布拉格反射器(DBR)和金屬的混合結(jié)構(gòu)。這種DBR+金屬膜反射的混合結(jié)構(gòu)在DBR較小的周期數(shù)(2 - 8)的情況下也具有很高的反射率。
[0016]本發(fā)明尤其是DBR的周期數(shù)設定為2-8。在底部DBR與有源層之間插入ITO薄膜作為電極
[0017]本發(fā)明硅基金屬微腔電致發(fā)光器件制備，主要包含以下步驟:
[0018]第一步驟:在石英襯底上制備金屬/有源層/DBR的共振腔結(jié)構(gòu)
[0019]a)先利用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)制備DBR，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作為反應起源，在石英襯底上交替生長具有兩種不同組分的SiC薄膜，構(gòu)成全SiC材料的DBR結(jié)構(gòu)(2-8個周期，如5-6個周期)；這兩種組分的SiC薄膜的光學厚度都為共振波長的1/4，淀積時的流量比R=CH4/SiH4分別是I和10 ;
[0020]b)在DBR結(jié)構(gòu)上，緊接著制備有源層，有源層仍采用流量比R=IO的SiC薄膜，厚度為共振波長的1/2 ；
[0021]c)利用電子束蒸鍍Ag膜，厚度為30、40、60nm，整個制備過程后，出光為半透明Ag膜面的金屬/有源層/DBR的共振腔結(jié)構(gòu)；
[0022]d)測試該結(jié)構(gòu)的共振發(fā)光特性。
[0023]第二步驟:在石英襯底上制備金屬/DBR結(jié)構(gòu)的反射鏡
[0024]3)利用電子束蒸鍍Ag膜，厚度為40nm，反射率大約為92% ；
[0025]4)利用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作為反應起源，在石英襯底上交替生長具有兩種不同組分的SiC薄膜，構(gòu)成全SiC材料的DBR結(jié)構(gòu)(可以僅2個周期，更好的如5-6個周期)。這兩種組分的SiC薄膜淀積時的流量比R=CH4/SiH4分別是I和10 ;[0026]5)測試該結(jié)構(gòu)(Ag/DBR)作為反射鏡的反射率。
[0027]第三步驟:設計本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)，并模擬理論結(jié)果
[0028]1-1、根據(jù)上述前兩步驟的實驗和模擬結(jié)果，設計硅基金屬微腔的電注入器件結(jié)構(gòu)；
[0029]1-2、理論模擬本發(fā)明共振光波特性，指導實驗制備。
[0030]本發(fā)明設計了一種電致發(fā)光器件，硅基材料作為有源層，半透明金屬作為微腔的一面反射鏡和出光面，而另一面反射鏡則為娃基材料構(gòu)成的分布布拉格反射器(DBR)和金屬的混合結(jié)構(gòu)。這種DBR+金屬的混合結(jié)構(gòu)在DBR的周期數(shù)很少(〈4)情況下也具有很高的反射率，這使得制備過程和成本大大降低。整個結(jié)構(gòu)不僅可以作為硅基材料及其它(有機或無機)發(fā)光材料的電致發(fā)光器件，而且也可以作為硅芯片為基底的光互聯(lián)通訊元件、生物、化學傳感器。金屬微腔結(jié)構(gòu)在這些器件的顯色純度要求較高和探測靈敏度方面要求較高時具有重要的意義與應用價值。本發(fā)明涉及的金屬/有源層/DBR/金屬的微腔結(jié)構(gòu)為首次提出，不同與以往的金屬/有源層/DBR的結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的重點是設計了(I)、底部反射面為金屬/DBR的混合結(jié)構(gòu)，這樣可以采用較少周期的DBR達到同樣的反射效果，增強實驗的可操作性，重復性。(2)、頂部選擇可見光波長吸收較小的半透明金屬銀(Ag)則為微腔的另一個反射面，同時Ag也可以作為電致發(fā)光器件的電極。(3)、在底部DBR與有源層之間插入ITO薄膜作為電極，增加電注入導電性，同時其厚度的變化可以用來調(diào)節(jié)共振波長。采用理論模擬與實驗結(jié)合的方法，獲得微腔中各薄膜子層的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值，從而實現(xiàn)和提高這種電致發(fā)光器件的發(fā)光效率與生物化學探測靈敏度。
[0031]本發(fā)明涉及微腔的光電特性，在共振腔波長的選擇上必須精確計算金屬、有源層、DBR等各子層的相位變化，同時對電注入的電極層位置和厚度也要進行合理的設計。首先采用模擬軟件計算了這種硅基金屬微腔的共振模式隨各參數(shù)(金屬與介質(zhì)層的相位匹配、厚度和周期數(shù))的變化關系。同時制備了相應的具有混合結(jié)構(gòu)的一維光學微腔。研究表明，這種混合結(jié)構(gòu)微腔可以增強有源層SiC材料的發(fā)光效率，實驗結(jié)果與理論模擬基本一致。接著，本發(fā)明研究了 DBR/金屬的結(jié)構(gòu)，可見其作為微腔的一面反射鏡，發(fā)現(xiàn)其在DBR周期數(shù)較少時(2個周期)也可以獲得很聞的反射率(98%),從而有可能提聞有源層的光出射效率。最后設計了相應的微腔電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，希望獲得較高品質(zhì)因子的高效電致發(fā)光出射。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:1)首次將金屬/DBR的結(jié)構(gòu)作為反射鏡應用到微腔中，使得DBR的周期數(shù)大大減少，降低了成本，增加了實驗的可操作性、重復性。2)通過控制半透明金屬和導電接觸層ITO的厚度，可以很方便的調(diào)節(jié)該發(fā)明結(jié)構(gòu)的共振波長和強度。3)整個制備過程操作簡單，化學氣相淀積、電子束蒸發(fā)等技術(shù)都已成熟，并與微電子工業(yè)技術(shù)相兼容，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，且便于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明涉及的步驟一中的碳化硅DBR (六個周期)的透射光譜。理論設計共振波長為700nm，光子帶隙為620_780nm，實驗結(jié)果(實線)與理論(三角點線)值吻合的很好。可見PECVD系統(tǒng)可以很好的控制DBR各子層厚度及界面陡峭性。
[0034]圖2為本發(fā)明涉及的步驟一中的金屬Ag/SiC有源層/DBR結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光譜。相比較有源層較弱的發(fā)光和很寬的發(fā)光帶，微腔的發(fā)光強度大大增強，且譜線的半高寬(FWHM)僅為20nm，可見微腔效應非常明顯。實驗的共振波長692nm與設計的700nm差別不大。
[0035]圖3為本發(fā)明涉及的步驟一中的頂面具有不同厚度Ag的共振腔的光致發(fā)光譜。由于不同金屬厚度產(chǎn)生不一樣的相位差，微腔共振波長會有相應的移動。由圖中可見，隨著金屬Ag厚度的增加，共振波長不斷向短波方向移動，且發(fā)光強度也有相應的變化。在Ag為40nm時，共振腔效應最明顯，這些都與理論計算結(jié)果一致。所以，可以通過金屬反射鏡的厚度很方便得調(diào)節(jié)共振光模的強度與峰位。
[0036]圖4為本發(fā)明涉及的步驟二中金屬/DBR構(gòu)成的反射鏡的反射光譜。該結(jié)構(gòu)可以大大增強其反射率(99%)，而單純的四個周期的DBR反射率僅為94%。這種結(jié)構(gòu)的反射鏡可以在DBR較少的情況下也能達到較高的反射率，使得制備過程簡單化，可操作性增強，降低了成本。
[0037]圖5為本發(fā)明涉及的步驟三中的利用DBR/金屬的結(jié)構(gòu)和半透明金屬構(gòu)成微腔兩端的反射鏡，同時在有源層與底部DBR之間插入導電介質(zhì)層(ITO)就可以設計硅基微腔電注入發(fā)光器件。底部DBR下面加入一薄金屬層，由于提高了底部反射鏡的反射率，模擬所得的共振光波的品質(zhì)將提高很多，如半高寬FWHM減為沒有薄金屬層是的三分之一。其中圖
5利用DBR/金屬的結(jié)構(gòu)和半透明金屬構(gòu)成微腔兩端的反射鏡，同時在有源層與底部DBR之間插入導電介質(zhì)層(ITO)就可以設計硅基微腔電注入發(fā)光器件。底部DBR下面加入一薄金屬層，由于提高了底部反射鏡的反射率，模擬所得的共振光波的品質(zhì)將提高很多，如半高寬FWHM減為沒有薄金屬層是的三分之一。圖5為器件的波長與透射率的曲線。
【具體實施方式】
[0038](一)、制備金屬Ag/SiC有源層/DBR結(jié)構(gòu):
[0039]利用平板電容型射頻等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)技術(shù)在石英、單晶硅襯底上制備金屬Ag/SiC有源層/DBR結(jié)構(gòu)。
[0040]1.淀積氫化非晶碳化硅DBR多層膜
[0041]薄膜淀積在Si襯底或者石英襯底上，反應氣體采用甲烷(CH4)和硅烷(SiH4)的混合氣體。當?shù)矸eR=I的SiC子層時，R為氣體流量比(R=SiH4/CH4) SiH4流量為5sccm，CH4流量為5sccm，當?shù)矸eR=IO的SiC子層時，SiH4流量為5sccm，CH4流量為50sccm，兩個子層交替生長6.5個周期，得到SiC DBR多層結(jié)構(gòu)。每個子層的光學厚度為共振腔中心波長700nm的四分之一。
[0042]具體工藝條件如下:
[0043]
功率源頻率: 13.56 MHz
[0044]
【權(quán)利要求】
1.硅基金屬微腔電致發(fā)光器件，其特征是結(jié)構(gòu)為，自上至下為半透明金屬反射鏡，有源層，ITO電極，2-8個周期底部DBR、每周期厚度為共振光波長的二分之一，金屬薄膜，石英基底；以SiC材料作為有源層，厚度為共振波長的1/2，半透明金屬反射鏡作為微腔的一面反射鏡和出光面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基金屬微腔電致發(fā)光器件，其特征是硅基金屬微腔電致發(fā)光器件，其特征是底部DBR石英或硅基底之間設有金屬反射鏡；DBR的周期數(shù)設定5-6。
3.硅基金屬微腔電致發(fā)光器件制備方法，其特征是在石英襯底上制備金屬/有源層/DBR的共振腔結(jié)構(gòu)的步驟: 1)利用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作為反應起源，在石英襯底上交替生長具有兩種不同組分的SiC薄膜，構(gòu)成全SiC材料的DBR結(jié)構(gòu)(2-8個周期)；這兩種組分的SiC薄膜淀積時的流量比R=CH4/SiH4分別是I和10 ; 2)在DBR結(jié)構(gòu)上，緊接著制備有源層，有源層仍采用流量比R=IO的SiC薄膜，厚度為共振波長的1/2 ； 3)利用電子束蒸鍍Ag膜，厚度為30、40、60nm，整個制備過程后，出光為半透明Ag膜面的金屬/有源層/DBR的共振腔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基金屬微腔電致發(fā)光器件制備方法，其特征是在石英襯底上制備Ag/DBR結(jié)構(gòu)的反射鏡； 1)利用電子束蒸鍍Ag膜，厚度為40nm，反射率為92%； 2)利用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作為反應起源，在石英襯底Ag膜上交替生長具有兩種不同組分的SiC薄膜，構(gòu)成全SiC材料的DBR結(jié)構(gòu)(僅4個周期)。這兩種組分的SiC薄膜淀積時的流量比R=CH4/SiH4分別是I和10。
【文檔編號】H01L33/00GK103633212SQ201310524210
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】芮云軍, 徐駿, 曹蘊清, 陸鵬, 李偉, 陳坤基 申請人:南京大學