CN101017873A - 掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，在电阻率为4－20Ωcm的P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a－SiNx薄膜，薄膜厚度在40－100nm之间，在a－SiNx薄膜上再镀有薄膜金属电极；P型单晶硅片的背面镀有另一电极，ITO本身构成另一电极。对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3mm的圆斑，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
Description
一、技术领域：
本发明涉及光致发光器件及制备方法.尤其是是从发光机理和制备实施工艺两方面提出一种新型的掺氧硅基氮化物薄膜发光二极管。所述发光器件的有源层为掺氧硅基氮化物薄膜。材料制备技术为低温等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术与等离子体氧化技术相结合。
二、背景技术：
半导体硅(Si)是当前制备微电子器件最重要的材料，现代微电子工艺的飞速发展都是以硅材料为基础。基于半导体硅基材料的纳电子和光电子集成是21世纪新一代半导体器件的核心，也是现代信息技术的硬件基础。然而Si是否能在纳电子器件时代继续扮演重要角色，是否能实现Si单片光电集成？这是当前材料科学和微电子学领域中的重大研究课题，也是该学科的国际研究前沿，具有重要的基础和应用研究意义。
众所周知，由于晶体硅是间接带隙半导体材料，能带窄，发光效率低，限制了其在光电器件方面的应用，但是由于硅材料与目前成熟的微电子工艺的高度兼容性，科学家一直不断的对其进行探索。近十几年来，许多实验和理论研究工作表明，当Si材料的尺寸减小到几纳米(与电子的德布罗意波长可相比拟)时，呈现出明显的量子尺寸效应，极大的改善其光学特性、发光效率。因此，基于这种物理特性的低维的硅基发光器件备受广泛关注。在当前众多制备硅基发光器件的方法中，可归结为三个主要途径，(1)以多孔硅为有源层的发光器件，其优点是制备简单、光致发光效率高，但是其电致发光稳定性差，效率低，且难以与目前成熟的微电子工艺相兼容，见[1]N.Koshida，et.al.Appl.Phys.Lett.
60 347(1992)。(2)以镶嵌纳米硅晶粒的二氧化硅及硅/二氧化硅超晶格为有源层的硅基发光器件。其优点是纳米硅表面稳定性和刚性比多孔硅好得多，而且光致发光效率高，其中，令人鼓舞的突破性进展是2000年在镶嵌纳米硅晶粒的二氧化硅系统中光增益的实现。然而其电致发光的进展却相当缓慢，目前存在的主要问题是电致发光效率低、稳定性差。这主要归咎于二氧化硅高的势垒(8.5eV)，不利于载流子的注入，见[2]L.Pavesi，et.al，Nature
408，440(2000)。(3)以硅基氮化物为有源层的发光器件。由于其具有高的稳定性、相比于二氧化硅具有较低的势垒及较强的光致发光而备受关注，是当前的研究热点，见[3]L.-Y.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.
86193506(2005)；K.S.Cho，et.al.Appl.Phys.Lett.
86 071909(2005)。
国际评论指出，硅基的单片光电集成的实现及实用化必须要求发光器件具有：(1)较高的电致发光效率；(2)高的稳定性；(3)低成本；(4)与当前微电子工艺相兼容。因而寻找一种高发光效率、高稳定性、低成本、且与当前微电子工艺相兼的新型硅基薄膜发光材料和器件制备新技术，并有可能将其应用于未来的光电子集成是本发明的出发点。在我们已建立的硅基发光器件的研究基础上，见[4]K.J.Chen，X.F.Huang et.al.Appl.Phys.Lett.
61 2069(1992)，M.X.Wang，K.J.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.
72 722(1998)。我们提出的新型硅基掺氧氮化物薄膜发光器件制备的新技术是在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用氧等离子体源氧化在室温下生长硅基氮化物，形成掺氧硅基氮化物，并以其作为有源层来制备发光器件。
通常用PECVD技术在常规温度(300℃)下，以SiH4和NO2为气源生长的含氧a-SiNx薄膜能实现室温的光致发光，但以它作为有源层的发光器件却无法实现室温电致发光，需经过950℃热退火后才能实现，而且发光弱，工作电流密度大，见[5]K.J.Price，et al.J.Appl.Phys.
86 2638(1999)。
随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、处理功能提出了更高的要求。若能实现硅基的单片光电集成，用光子代替电子作为信息载体，则可极大的提高信息的传输速度和处理能力。近年来由国内外研究结果表明：硅基的单片光电集成的实现及实用化，既要求器件有较高的电致发光效率及高的稳定性，又要求较低的成本，同时与当前微电子工艺相兼容。
三、发明内容
本发明的目的是针对以上的要求，提出在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用氧等离子体源氧化在室温下生长的硅基氮化物薄膜，经氧等离子体氧化形成非晶态硅基氮化物(a-SiNx)薄膜(掺氧硅基氮化物薄膜)。并以其作为有源层，制备黄绿波段发光二极管。在实验上设计制备一种新型的硅基发光器件。本发明目的是：提出一种在室温下生长的硅基氮化物，其发光原理为在掺氧硅基氮化物薄膜存在氧诱导的Si-O-N发光中心。
本发明的技术方案是：掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是在电阻率为4～20Ωcm的P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，薄膜厚度在40～100nm之间，在a-SiNx薄膜上再镀有薄膜金属电极；P型单晶硅片的另一面镀有另一电极，ITO本身构成另一电极。
对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3mm的圆斑，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝(Al)薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm；作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极；以阴极一侧为光发射端。
掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管及制备方法，室温(10～30℃)生长非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜，利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜：由SiH4+NH3通过辉光分解反应而成，其中SiH4流量为6～10sccm，NH3流量为20～40sccm；淀积时间为80～160s，薄膜厚度为40～100nm；功率源频率：13.56MHz
功率密度：0.4～1W/cm2，反应腔压力：60～100Pa
在80～110℃衬底温度下，在等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)系统内，用等离子体氧化室温生长的a-SiNx薄膜：具体工艺条件如下，功率源频率：13.56MHz，功率密度：0.4～1W/cm2，反应腔压力：30～70Pa，O2流量：20～35sccm，氧等离子体处理时间：10～40min。
1、本发明原理：薄膜器件的电致发光是在外加偏压的作用下，电子和空穴分别从器件的阴极和阳极注入到器件的有源层中，通过有源层的发光中心辐射复合发光的现象。器件的电致发光与有源层材料的发光中心密切相关，改善有源层的结构特性，增加有源层材料的发光中心密度，有利于提高器件的电致发光强度及效率。本发明通过在室温生长的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜中掺入氧，形成以Si-O形式为主的发光中心，获得高强度的黄绿光硅基发光器件。
本发明技术方案由于采用室温PECVD技术生长的含氧a-SiNx薄膜，提高了a-SiNx有源层中的Si-O发光中心密度而极大的改善了器件的发光特性，除此，这种方法既与当前微电子工艺技术相兼容，又能极大的降低生产成本，更为重要的是，这种新型的硅基器件实现了室温电致发光，它的发光强度强，开启电压低，因此利用这种低温制备方法非常有望实现硅基单片光电集成，在未来的纳米光电子集成器件领域有极大的应用前景和价值。
2、新型硅基发光器件有源层的制备
(1)室温生长非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，在室温下，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在电阻率为4-20Ωcm的P型单晶硅片以及ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，薄膜厚度可在40-100nm之间。
(2)氧等离子体氧化非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
在衬底温度为100℃的条件下，在PECVD系统中，原位使用等离子体源氧化技术氧化在室温生长的a-SiNx薄膜，以形成含氧的a-SiNx薄膜。以这层薄膜作为器件的有源层。
3、发光器件的电极制备及结构
采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一圆形形状的金属铝(Al)薄膜作为阴极，器件结构如图1(a)所示，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状的金属铝(Al)薄膜，作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极。器件结构如图1(b)所示，以阴极一侧为光发射端。
4、器件电致发光特性
图2(a)和(b)示出基板分别为ITO/玻璃和P型硅片的发光器件在正向偏置电压下的电致发光谱。对于以ITO为阳极的硅基发光器件，当电压为9V时，即可启动发光，在暗室里可清楚地观察到黄绿光；对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，开启电压降为6V。对于这两种采用不同阳极材料的器件，电致发光的峰位均不依赖于工作电压，而电致发光强度则随工作电压的增加而迅速增强。如图2(a)插图所示，当电压为15V时，可在弱光下看到较强的黄绿光。
本发明技术的优点：在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用等离子体源氧化技术氧化室温生长的硅基氮化物，并以其作为有源层制备的发光器件具有以下优点：
1.器件开启电压低：相比于目前国际上单纯采用a-SiNx作为有源层的发光器件的开启电压(10～12V)，采用我们提出的这种技术方案研制的发光器件开启电压仅为6V，降低了4V以上。这有助于降低器件的功耗。如图2、3所示。
2.发光亮度强且工作电流密度低：利用本技术方案研制的发光器件在室温弱光下能肉眼看到其发出的较强的黄绿光，并且其工作电流密度低，仅为110-130mA/cm2，甚至远小于目前国际上单纯采用a-SiNx作为有源层的发光器件的开启电流密度，这也表明我们研制的发光器件效率高。
3.发光器件是在低温(100℃)下研制的，相对于通常衬底温度在250℃以上的常规技术，这种低温制备技术不仅与目前微电子工艺相兼容，而且能极大的降低生产成本，非常有望实现硅基单片光电集成。
4.本发明方法可推广应用，采用热氧化方法氧化室温生长的硅基氮化物也可实现以上器件功能。
5.本发明有望应用于硅基单片光电集成。
四、附图说明：
图1：(a)以ITO为阳极的硅基发光器件结构图；(b)以P型硅为阳极的硅基发光器件结构图。
图2：(a)以ITO为阳极的硅基发光器件的发光谱图及发光照片。(b)以P型硅为阳极的硅基发光器件的发光谱图及环形电极照片。从(a)和(b)图可看到，随工作偏压的增加，发光谱峰逐渐增强，即器件发光强度增强。
图3：以ITO为阳极和以P型硅为阳极的硅基发光器件在正向偏置电压下的电流-电压特性。
五、具体实施方式：
1、新型硅基发光器件有源层的制备
(1)室温生长非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在电阻率为4-20Ωcm的P型单晶硅片以及ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜。制备时的具体工艺条件如下：
功率源频率： 13.56MHz
功率密度： 0.6W/cm2
反应腔压力： 80Pa
衬底温度： 25℃
在淀积a-SiNx薄膜时，由SiH4+NH3通过辉光分解反应而成，其中SiH4流量为8sccm(每分钟标准立方厘米)，NH3流量为32sccm；淀积时间为130s，薄膜厚度为80nm。
(2)等离子体氧化室温生长的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
在100℃衬底温度下，在等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)系统中，用等离子体氧化室温生长的a-SiNx薄膜。具体工艺条件如下
功率源频率：13.56MHz；功率密度：0.6W/cm2
反应腔压力：40Pa；衬底温度：100℃；
O2流量：27sccm，氧等离子体处理时间：20min。
2、发光器件的电极制备及结构
采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3mm的圆斑，器件结构如图一(a)所示，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝(Al)薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm。作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极。器件结构如图一(b)所示，以阴极一侧为光发射端。电极制备的具体工艺条件为：
蒸发电流：3.5A蒸发时间：25s 电极厚度：1μm
Claims (5)
1、掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是在电阻率为4-20Ωcm的P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，薄膜厚度在40-100nm之间，在a-SiNx薄膜上再镀有薄膜金属电极；P型单晶硅片的背面镀有另一电极，ITO本身构成另一电极。
2、根据权利要求要求1所述的掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3mm的圆斑，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
3、根据权利要求要求1所述的掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是对于以电阻率为4-20Ωcm的P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝(Al)薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm；作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极；以阴极一侧为光发射端。
4、掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管制备方法，其特征是室温10-30℃生长非晶氮化硅薄膜，利用等离子体增强化学汽相淀积，采用硅烷和氨气作为反应气源，在P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜：由SiH4+NH3通过辉光分解反应而成，其中SiH4流量为6～10sccm，NH3流量为20～40sccm；淀积时间为80～160s，薄膜厚度为40-100nm；功率源频率：13.56MHz，功率密度：0.4～1W/cm2，反应腔压力：60～100Pa；在80～110℃衬底温度下，利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，用等离子体氧化室温生长的a-SiNx薄膜：功率源频率：13.56MHz，功率密度：0.4～1W/cm2，反应腔压力：30～70Pa，O2流量：20～35sccm，氧等离子体处理时间：10～40min。
5、根据权利要求4所述的掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管制备方法，其特征是发光器件的电极制备方法是：采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝薄膜作为阴极；对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm；作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极：蒸发电流：3.5 A，蒸发时间：25s，电极厚度：1μm。
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