CN101982890B - 一种基于自离子注入soi材料的近红外室温发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自离子注入SOI材料的近红外室温发光器件，属于光电子技术领域。本发明的发光器件在1.50-1.60μm范围的室温强发光，器件基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光，发光器件结构从下往上分别是本征Si衬底→注氧的氧化Si隔离层→p⁺型Si下电极层→发光有源层→n⁺型Si上电极层，发光器件的外量子效率为0.05％～0.8％。本发明突出的优点为：1、基于SOI的p-i-n结上制备的发光器件继承了SOI结构所具有的各种优点，其中离子注入区域和发光有源层都在硅薄膜层；2、获得的发光器件在室温下能稳定发光，解决了近红外LED器件和激光器低温才能正常工作的问题；3、本发明提高了器件的外量子效率，可以达到0.05％-0.8％的范围，从而增强了器件的发光强度。

Description

一种基于自离子注入SOI材料的近红外室温发光器件

技术领域：

本发明涉及一种近红外室温强发光器件，具体涉及向SOI材料的硅薄膜层自注入Si⁺形成室温下高效发光器件，属于光电子技术领域。

背景技术

半导体照明光源以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长寿、少维修等突出优点，在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机及PDA背光源等照明领域已得到广泛的应用，这使得半导体光源成为全球最热门、最瞩目的光源。特别是随着LED的发光效率正在不断提高，半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。

面对这场产业革命和巨大的市场空间，美国、日本、欧盟、韩国等国家和地区相继推出了发展半导体照明产业的国家和地区计划。世界级半导体公司纷纷抢占市场，一场技术、人才和市场的争夺战已经开始。我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有着一定的产业基础。面对半导体照明的历史机遇，2003年6月17日科技部联合信息产业部、中国科学院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动国家半导体照明工程。

近几年，国内在改善发光二极管研究方面取得了一系列的成果，如中国专利99100397.7公开了用多个重复排列的单元大发光区构成发光区，每个单元大发光区包括前级发光区和后级发光区以及位于前后两级发光区之间隧道结，多级发光区通过各级间的隧道结为前级复合掉的电子和空穴提供再生通道，从而提高器件的量子效率和亮度；中国专利200410084792.1公开了用抛物线构成的实心碗状结构作为LED的衬底，抛物线的焦点在上表面的中心；中国专利200510038245.4公开了利用倒装焊的结构，获得硅片散热的LED装置等等。

目前发光器件还需要解决提高外量子效率，室温下稳定工作，提高器件使用寿命，降低成本等问题。因此，还需要做更多研究和探索。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于自离子注入SOI材料以获得亮度强，稳定性好，能在室温下工作的发光器件。

本发明的发光器件在1.50-1.60μm范围的室温强发光，器件基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光，发光器件结构从下往上分别是本征Si衬底→注氧的氧化Si隔离层→p⁺型Si下电极层→发光有源层→n⁺型Si上电极层，发光器件的外量子效率为0.05％～0.8％。

本发明的发光器件经如下步骤得到：

①采用离子注入机将Si⁺自注入用注氧隔离法制备好的SOI硅薄膜层，离子入射方向与硅薄膜表面法线成7°，整个过程在真空、室温环境下进行，Si⁺注入剂量为10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量为80keV-300keV；

②在N₂气氛下对自注入后的SOI材料采取高温炉退火处理，退火温度700℃～1200℃，退火时间为0.5～12小时，保护气氛为氮或氩气；

③将处理后的SOI材料制成基于缺陷发光的发光器件。

所述的自离子注入硅薄膜层获得发光器件的过程，预先用注氧隔离法(SIMOX)制备SOI。

选取晶向为(100)的P型单晶Si基片，单面抛光，并用现有技术对基底进行清洗处理。

本发明突出的优点在于：1、基于SOI的p-i-n结上制备的发光器件继承了SOI结构所具有的各种优点，其中离子注入区域和发光有源层都在硅薄膜层；2、获得的发光器件在室温下能稳定发光，解决了近红外LED器件和激光器低温才能正常工作的问题；3、本发明提高了器件的外量子效率，从而增强了器件的发光强度；4、本发明成本低、工艺简单，耗电量小，节能无污染。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

本发明是通过向SOI结构的硅薄膜层中自注入Si⁺，来获得室温下高效D₁线发光器件，具体步骤如下：

步骤1：选取晶向为(100)的P型单晶Si片，单面抛光，并用现有技术对基底进行清洗处理。

步骤2：用SIMOX方法制备厚度均匀的薄膜表面硅层和SiO₂埋层。

步骤3：Si⁺离子注入硅薄膜层

用离子注入机将Si⁺自注入硅薄膜层，其注入剂量为10¹²cm^-2，注入能量为200keV。Si⁺离子注入完成后，再将S⁺离子注入该层，注入能量与剂量分别为80keV和10¹⁴cm^-2，S⁺由于扩散作用将形成n⁺型层。离子束与硅薄膜层表面法线之间的夹角为7°，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

步骤4：对离子注入后的SOI材料退火处理

在氮或氩气氛下对注入后的SOI材料采取退火处理，退火温度900℃，退火时间为2小时。

步骤5：将退火处理后的SOI材料制成室温工作LED器件(LED器件和激光器)

采用传统的深紫外光光刻和湿法刻蚀技术对硅薄膜层进行处理，台面面积120μm²，与p⁺型Si接触的金属电极材料为Al，与n⁺型Si接触的金属电极材料为Ti/Au合金或者单质Au。

实施例2：

步骤1、步骤2、步骤4、步骤5与实施例1相同。

步骤3不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅薄膜层，其注入剂量为10¹⁴cm^-2，注入能量为200keV。

实施例3：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅薄膜层，其注入剂量为10¹⁶cm^-2，注入能量为200keV。

实施例5：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅薄膜层，其注入剂量为10¹⁴cm^-2，注入能量为80keV。

实施例6：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅薄膜层，其注入剂量为10¹⁴cm^-2，注入能量为300keV。

实施例7：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的SOI材料采取退火处理，退火温度700℃，退火时间为2小时。

实施例8：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的SOI材料采取退火处理，退火温度12000℃，退火时间为2小时。

实施例9：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的SOI材料采取退火处理，退火温度900℃，退火时间为0.5小时

实施例10：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的SOI材料采取退火处理，退火温度900℃，退火时间为10小时。

Claims (1)

1.一种基于自离子注入SOI材料的近红外室温发光器件，其特征在于近红外室温发光器件发光波段在1.50-1.60μm范围，近红外室温发光器件基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷发光，近红外室温发光器件结构从下往上分别是本征Si衬底→注氧的氧化Si隔离层→p⁺型Si下电极层→发光有源层→n⁺型Si上电极层，近红外室温发光器件的外量子效率为0.05％～0.8％；近红外室温发光器件经如下步骤得到：

①采用离子注入机将Si⁺自注入用注氧隔离法制备好的SOI硅薄膜层，离子入射方向与硅薄膜表面法线成7°，整个过程在真空、室温环境下进行，Si⁺注入剂量为10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量为80keV-300keV；

②在N₂气氛下对自注入后的SOI材料采取高温炉退火处理，退火温度700℃～1200℃，退火时间为0.5～12小时，保护气氛为氮；

③将处理后的SOI材料制成基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷发光的近红外室温发光器件。