CN101060155A - 一种Si/SnO2异质结电致发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的Si/SnO2异质结电致发光器件，在硅片的抛光面自下而上依次沉积有SnO2薄膜层和掺锡氧化铟导电薄膜层，硅片的另一面沉积有金属薄膜层。制备步骤如下：利用电子束蒸发在p型硅片的抛光面上沉积金属锡薄膜；在氧气气氛下进行氧化处理，使金属锡薄膜转变成SnO2薄膜；采用磁控溅射或电子束蒸发的方法在硅片的另一面沉积金属薄膜层；以氩气和氧气为溅射反应气体，在SnO2薄膜表面沉积掺锡氧化铟导电薄膜。本发明在硅基体上以二氧化锡薄膜为发光薄膜，具有更高的化学和机械稳定性，强的缺陷发光，本发明制备方法简单可控，成本低廉，掺锡氧化铟电极中含有SnO2相，可以和SnO2薄膜形成良好的电接触。本发明器件可以作为硅基发光器件。
Description
技术领域
本发明涉及制备Si/SnO2异质结电致发光器件及其制备方法。
背景技术
自从摩尔定律提出以来，以集成电路为标志的微电子工业已经发展了40多年了。随着芯片中晶体管的尺寸越来越小、集成度越来越高，层间金属互连的层数越来越多，由此导致的芯片的层间干扰、信号延迟、功率耗散等问题越来越严重。同时，高速光通讯的发展使得在较短距离的金属互联的传输瓶颈问题越来越严重。另外，摩尔定律的拓展使得集成电路在探测、无线通讯、流体、力学、光学等领域得到了广泛的应用。而要实现微芯片在光学领域的应用，硅基的发光器件则是关键，目前正在研究开发之中。由于硅的集成电路工艺有很大的成本优势、庞大的产业规模和高技术集中等优点，硅基的光电集成具有很好的产业发展前景。但由于硅属于窄禁带、间接带隙的半导体材料，故其发光效率低，无法应用于发光器件，因此限制了硅材料在光子学领域中的应用。只有通过对硅或其氧化物薄膜等进行适当处理，从而可能获得较好的发光体系。
二氧化锡(SnO2)是一种非常重要的II-VI族、具有直接带隙的宽禁带半导体材料，被广泛应用于气敏、电子、太阳能等领域。由于该材料是天然非化学剂量比的，容易在晶格中存在大量的氧空位、间隙锡等缺陷，导致其具有较强的缺陷相关的发光峰。但是，建立在硅衬底上SnO2薄膜的发光器件还没有实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用二氧化锡薄膜中的氧空位等缺陷发光的Si/SnO2异质结电致发光器件及其制备方法。
本发明的Si/SnO2异质结电致发光器件，在硅片的抛光面自下而上依次沉积有SnO2薄膜层和掺锡氧化铟(ITO)导电薄膜层，硅片的另一面沉积有金属薄膜层。
对于上述的金属薄膜层所用的金属种类没有特殊要求，优选铝金属薄膜。
本发明的Si/SnO2异质结电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯金属Sn颗粒放置在石墨坩锅中，利用电子束蒸发，在p型硅片的抛光面上沉积金属锡薄膜，薄膜沉积过程中，工作腔真空度控制在至少2×10-3Pa，硅片衬底温度保持在室温～220℃；
2)将沉积好金属锡薄膜的样品在氧气气氛下，于600℃～1000℃进行氧化处理，使金属锡薄膜转变成SnO2薄膜，从炉管中取出样品并冷却；
3)工作腔真空度控制在至少10-3Pa，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法在硅片的另一面沉积金属薄膜层；
4)以氩气和氧气为溅射反应气体，用磁控溅射的方法在SnO2薄膜表面沉积掺锡氧化铟导电薄膜，得到Si/SnO2异质结发光器件。
本发明中使用的硅片和ITO靶材等可市售获得。
本发明制备方法中，对于所说的电子束蒸发法或磁控溅射法无特殊要求，可以采用工业上通用的电子束蒸发方法或磁控溅射方法。步骤4)溅射反应气体氩气和氧气的比值优选大于1。
本发明中，当金属薄膜层为金属铝薄膜时，则上述制备过程，步骤3)沉积金属薄膜层完成后，在360℃～550℃退火处理10min～30min，以便于获得铝金属薄膜和硅片的欧姆接触，提高导电性能。对于其它金属薄膜可以不进行退火处理。
本发明通过改变金属锡薄膜的高温氧化处理的温度可以获得不同强度的SnO2薄膜的发光。
本发明在硅基体上以二氧化锡薄膜为发光薄膜，二氧化锡薄膜与其他材料相比可以具有更高的化学和机械稳定性，并且具有强的缺陷发光，本发明制备方法简单可控，成本低廉，和集成电路的标准工艺相兼容，并且掺锡氧化铟(ITO)电极中含有SnO2相，可以和SnO2薄膜形成良好的电接触。以二氧化锡薄膜为核心Si/SnO2异质结器件可以作为硅基发光器件。
附图说明
图1是Si/SnO2异质结电致发光器件的结构示意图；
图2是电子束蒸发沉积的金属锡薄膜场发射扫描电镜照片；
图3是实施例1的SnO2薄膜的场发射扫描电镜照片；
图4是实施例1的SnO2薄膜的XRD图谱；
图5是实施例1的Si/SnO2异质结电致发光器件的室温发光图谱；
图6是实施例2的SnO2薄膜的场发射扫描电镜照片；
图7是实施例2的SnO2薄膜的的XRD图谱；
图8是实施例2的Si/SnO2异质结电致发光器件的室温发光图谱。
具体实施方式
本发明的Si/SnO2异质结电致发光器件，如图1所示。在硅片1的抛光面自下而上依次沉积有SnO2薄膜层2和掺锡氧化铟导电薄膜层3，硅片的另一面沉积有金属薄膜层4。
实施例1：
1)将纯度为99.99％金属Sn颗粒放置在石墨坩锅中，利用电子束蒸发，将金属锡沉积在p型硅片的抛光面上，薄膜沉积过程中，工作腔真空度控制在2×10-3Pa，灯丝电压8kV，沉积速率0.3nm·s-1。硅片衬底温度保持在室温并旋转，沉积在硅片上的金属锡薄膜厚度为300nm，薄膜的表面形貌如图2所示；
2)将沉积好金属锡薄膜的样品放置在石英舟中，在石英管式炉中进行1000℃、1小时的氧化处理，气氛是氧气，完成后，金属锡薄膜转变成SnO2薄膜，样品缓慢从炉管中取出并冷却，SnO2薄膜的表面形貌如图3所示，图4是其XRD图谱；
3)在工作腔真空度为2×10-3Pa情况下，采用电子束蒸发法在硅片的另一面沉积金属铝薄膜，沉积完成后在360℃退火处理30min；
4)以氩气和氧气为溅射反应气体，用磁控溅射的方法在SnO2薄膜表面沉积ITO导电薄膜，氩气和氧气的流量比为流量比为45∶5，溅射腔体中气压为0.7Pa时，得到Si/SnO2异质结发光器件如图1所示。
金属薄膜接直流电源正极，ITO薄膜接直流电源负极，不同电压电流下该器件的发光图谱如图5所示。
实施例2：
1)将纯度为99.99％金属Sn颗粒放置在石墨坩锅中，利用电子束蒸发，将金属锡沉积在p型硅片的抛光面上，薄膜沉积过程中，工作腔真空度控制在2×10-3Pa，灯丝电压8kV，沉积速率0.3nm·s-1。硅片衬底温度保持在100℃并旋转，沉积在硅片上的金属锡薄膜厚度为300nm。
2)将沉积好金属锡薄膜的样品放置在石英舟中，在石英管式炉中进行600℃、1小时的氧化处理，气氛是氧气，完成后，金属锡薄膜转变成SnO2薄膜，样品缓慢从炉管中取出并冷却，SnO2薄膜的表面形貌如图6所示，图7是其XRD图谱。
3)在工作腔真空度为2×10-3Pa情况下，采用磁控溅射法在硅片的另一面沉积金属金薄膜；
4)以氩气和氧气为溅射反应气体，氩气和氧气的流量比为45∶5，在0.7Pa真空度情况下，用磁控溅射的方法在SnO2薄膜表面沉积ITO导电薄膜，由此制备得到Si/SnO2异质结发光器件，在不同电压电流下该器件的发光图谱如图8所示。
实施例3：
1)同实施例1步骤1)，不同的是硅片衬底温度保持在220℃；
2)同实施例1步骤2)；
3)同实施例1步骤3)，不同的是采用磁控溅射法在硅片的另一面沉积金属铝薄膜，沉积完成后在550℃退火处理10min；
4)同实施例1步骤4)。
得到结构如图1所示Si/SnO2异质结发光器件。
Claims (3)
1.一种Si/SnO2异质结电致发光器件，其特征是在硅片(1)的抛光面自下而上依次沉积有SnO2薄膜层(2)和掺锡氧化铟导电薄膜层(3)，硅片的另一面沉积有金属薄膜层(4)。
2.根据权利要求1所述的Si/SnO2异质结电致发光器件的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)将纯金属Sn颗粒放置在石墨坩锅中，利用电子束蒸发，在p型硅片的抛光面上沉积金属锡薄膜，薄膜沉积过程中，工作腔真空度控制在至少2×10-3Pa，硅片衬底温度保持在室温～220℃；
2)将沉积好金属锡薄膜的样品在氧气气氛下，于600℃～1000℃进行氧化处理，使金属锡薄膜转变成SnO2薄膜，从炉管中取出样品并冷却；
3)工作腔真空度控制在至少10-3Pa，采用磁控溅射或电子束蒸发的方法在硅片的另一面沉积金属薄膜层；
4)以氩气和氧气为溅射反应气体，用磁控溅射的方法在SnO2薄膜表面沉积掺锡氧化铟导电薄膜，得到Si/SnO2异质结发光器件。
3.根据权利要求2所述的Si/SnO2异质结电致发光器件的制备方法，其特征是步骤3)沉积的金属薄膜层为金属铝薄膜时，沉积完成后在360℃～550℃退火处理10min～30min。
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