CN101132042A - 提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法 - Google Patents
提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法 Download PDFInfo
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Abstract
提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其步骤是1)在室温下生长富硅非晶氮化硅(a－SiNx)薄膜：利用等离子体增强化学汽相淀积方法，在室温下，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在ITO玻璃衬底上淀积a－SiNx薄膜，SiH4与NH3的流量比控制在0.5－1之间，薄膜厚度60－100nm；2)氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a－SiNx)薄膜：在衬底温度为95－105℃的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a－SiNx薄膜，氧等离子体处理时间：10－30min；形成富硅的掺氧a－SiNx薄膜，以这层薄膜作为器件的有源层。
Description
一、技术领域
本发明涉及光致发光器件及制备方法.尤其是提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法。
二、背景技术
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。能否实现四Si单片光电集成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的意义。
近十几年来，在众多制备硅基发光器件的方法中，可归结为3个主要途径，(1)以多孔硅为有源层的发光器件([1]N.Koshida，et.al. App1.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([2]C.W.Liu，et.al，Appl.Phys.Lett.74，2182(1999))。(3)以硅基氮化物为有源层的发光器件([3]K.S.Cho，et.al.Appl.Phys.Lett.86 071909(2005))。目前硅基电致发光器件存在的问题主要是：发光强度弱，发光效率低，稳定性差。为此，众多研究小组不断地致力于改善硅基器件的光电性能，提高器件发光效率。当前，在众多的提高硅基电致发光效率的方法中，可归结为3个主要途径，(1)改善器件有源层的发光特性([4]N.-M.Park，et.al.Appl.Phys.Lett.78 2575(2001))。(2)选用Ca/Ag、Ni/Au等低功函数合金金属作为器件阴极，降低金属电极与发光有源层之间的隧穿势垒，使电子更加有效地注入到发光有源层中，提高器件的发光效率([5]L.-Y.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.86 193506(2005)，B.-H.Kim，et.al.Appl.Phys.Lett.89 063509(2006))。(3)改善电极与发光有源层之间的界面性质，降低接触电阻，提高载流子注入效率，进而提高器件发光效率。
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较高的电致发光效率、高的稳定性、低的成本，且与当前微电子工艺相兼容。因而寻找一种具有上述特征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。
本申请人的专利申请CN200710020068.6掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管及制备方法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的富氮硅基氮化物薄膜，经氧等离子体氧化形成富氮的掺氧非晶态硅基氮化物(a-SiNx)薄膜，并以其作为有源层，制备黄绿波段发光二极管。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。所述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。
但上述利用氧等离子体源氧化在室温下生长的富氮硅基氮化物，形成富氮的掺氧硅基氮化物，并以其作为有源层来制备电致发光器件。该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([6]R.Huang，K.J.Chen，et.al. Appl.Phys.Lett.90 093515(2007))。尽管该器件效率较高，但离真正的实用化仍有一定的距离，仍需进一步增强载流子的注入效率，提高其光发射强度及发光效率。
三、发明内容
本发明目的是：从方法和实施工艺两方面提出提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法：尤其是在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用不同硅氮组份比的掺氧氮化硅具有不同光学带隙原理，通过调制硅氮组份比，在低温下制备具有较小光学带隙性质的富硅掺氧氮化硅薄膜，以其作为发光有源层来制备电致发光器件。利用该方法能有效的降低金属电极与有源层间的遂穿势垒，增强载流子的注入，进一步提高器件的发光效率。
提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，
(1)室温生长富硅非晶氮化硅(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ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，SiH4与NH3的流量比控制在0.5-1之间，以形成富硅的氮化硅薄膜，薄膜厚度60-100nm；
(2)氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
在衬底温度为95-105℃的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a-SiNx薄膜，氧等离子体处理时间：10-30min；形成富硅的掺氧a-SiNx薄膜，以这层薄膜作为器件的有源层。
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电极为圆形形状的金属铝(Al)薄膜，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。
本发明的器件电致发光特性：
图2(a)和(b)示出有源层分别为掺氧的富硅氮化硅和掺氧的富氮氮化硅的发光器件在正向偏置电压下的电致发光谱。对于掺氧的富硅氮化硅发光器件，当电压为7.5V时，即可启动发光，开启电压比掺氧的富氮氮化硅的发光器件小1.5V；而且其发光强度却远远高于掺氧的富氮氮化硅的发光器件。制备富氮的掺氧氮化硅的SiH4与NH3流量分别为8和32sccm。
本发明的机理是：薄膜器件的电致发光是在偏压的作用下，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。器件的电致光发射强度及发光效率与有源层材料-金属电极之间的隧穿势垒密切相关，降低有源层材料-金属电极之间的势垒，能有效的增强载流子的注入效率，有利于提高器件的电致发光强度及效率。本发明通过提高掺氧非晶氮化硅发光有源层中的硅氮组份比，制备光学带隙较小的富硅掺氧非晶氮化硅发光有源层，有效的降低了有源层材料-金属电极之间的势垒，获得更低开启电压、更高效率、更高强度的硅基电致发光器件。
本发明技术的有益效果：在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用不同硅氮组份比的掺氧氮化硅具有不同光学带隙原理，通过调制硅氮组份比，制备具有较小光学带隙性质的富硅掺氧氮化硅薄膜，并以其作为有源层来制备的发光器件具有以下突出优点：
1.器件开启电压更低：相比于目前国际上单纯采用a-SiNx或富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件的开启电压(9～12V)，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7.5V，降低了1.5V以上。这有助于降低器件的功耗。如图2、3所示。
2.载流子注入效率高：相比于目前采用富氮掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，利用本发明研制的发光器件的载流子注入效率得到很大程度的提高，相同的正向偏置电压下，载流子注入效率比富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件提高了4倍以上。
3.发光亮度强、效率高：相比于目前采用富氮掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，利用本发明研制的发光器件发光强度更强，功耗低，其发光效率提高3倍以上。
4.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。
5.本发明的方法也可推广用于其它半导体发光器件性能的改善。
四、附图说明
图1：以ITO为阳极的硅基发光器件结构图。
图2：图2(a)是富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件谱图；
图2(b)与富硅的掺氧氮化硅发光器件相比较的富氮的掺氧氮化硅发光器件谱图。
图3：以富硅的掺氧氮化硅作为有源层及以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件的发光强度随电功率密度的变化关系。
图4：以富硅的掺氧氮化硅作为有源层及以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的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)室温生长富硅非晶氮化硅(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ITO玻璃衬底上淀积富硅的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8sccm，SiH4与NH3流量比为1∶1，淀积时间为130s，薄膜厚度为80nm。
(2)氧等离子体源氧化室温生长的富硅的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜
在100℃下，利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，用氧等离子体源氧化室温生长的富硅的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1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1所示，其中以ITO为阳极的1端为光出射端。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
从图2(a)和2(b)图可看到，在相同工作偏压下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件发光强度明显强于以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，即器件发光强度增强。从图3可看到，相同的电功率密度下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件的发光强度比富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件增强了3倍以上，即电致发光效率提高了3倍以上。
图3示出有源层分别为掺氧的富硅氮化硅和掺氧的富氮氮化硅的发光器件的发光强度与电功率密度的变化关系。在相同电功率密度条件下，掺氧的富硅氮化硅发光器件的强度比对于掺氧的富氮氮化硅发光器件增强了5倍以上，即对于掺氧的富硅氮化硅发光器件的电致发光效率提高了3倍以上。
从图4可看到，相同的正向偏置电压下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件的注入效率比富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件提高了4倍以上。从插图可得出，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，其有源层与金属电极之间势垒比相应的以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件降低了30％。
Claims (6)
1.提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是
1)在室温下生长富硅非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜：利用等离子体增强化学汽相淀积方法，在室温下，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，SiH4与NH3的流量比控制在0.5-1之间，薄膜厚度60-100nm；
2)氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜：在衬底温度为95-105℃的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a-SiNx薄膜，氧等离子体处理时间：10-30min；形成富硅的掺氧a-SiNx薄膜，以这层薄膜作为器件的有源层。
2.根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是发光器件的电极制备方法：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，以ITO为阳极的一端为光出射端。
3.根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是利在ITO玻璃衬底上淀积富硅的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℃
SiH4流量为8sccm，NH3流量为8sccm，淀积时间为130s，薄膜厚度为80nm。
4.根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是氧等离子体源氧化室温生长的富硅的a-SiNx薄膜的具体条件：
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。
5.根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是发光器件的电极制备是采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀1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1所示，其中以ITO为阳极的1端为光出射端。
6.根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是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。
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