CN102157636B - 一种增强硅基薄膜电致发光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强硅基薄膜电致发光的方法，包括如下步骤：在P型硅片正面上沉积一层银薄膜，然后进行热退火，在P型硅片正面上形成银岛膜；在银岛膜上沉积富硅氮化硅薄膜，然后在富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜；在氧化硅薄膜表面沉积一层ITO薄膜作为正面出光电极，在P型硅片背面沉积一层Al作为背面电极，制得硅基薄膜发光器件。本发明方法制备的硅基薄膜器件的电致发光强度显著强于普通硅薄膜器件的电致发光强度；器件能工作在更高的输入功率下，不易被击穿。
Description
技术领域
本发明属于硅基光电子应用领域，具体涉及一种增强硅基薄膜电致发光的方法。
背景技术
随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小，集成电路的集成度将越来越高，芯片间信号传输所使用的金属互联将成为器件性能提升的瓶颈。硅基光电子指的是，利用硅基材料来实现光的生成(将电信号转化成光信号)，光的传播，光的调制，和光的探测(将光信号转化成电信号)，从而实现信息在一定距离内的传播，是解决上述互连瓶颈的有效途径之一。但由于硅本身的间接带隙特性，硅基光源成为了光互联的难题所在。
近年来，富硅氮化硅(SiNx，x＜1.33)体系由于其制备方法与大规模集成电路制造工艺兼容、光致发光效率较高、发光稳定、载流子注入势垒较低等优点，受到了越来越广泛的关注，已逐渐成为发展硅基光电子的候选材料之一。但是光致发光需要激光器激发，这不仅会增加整个系统的复杂性，同时也增加了整个系统的成本。如果采用电致发光，则只需要一个简单的电源，可解决光致发光所带来的问题。而富硅氮化硅薄膜的电致发光效率仍然较低，不足以满足硅基光电子以光为信息载体在一定距离内传播并实现数据交换的要求。
发明内容
本发明提供了一种增强硅基薄膜电致发光的方法，使得制备的硅基薄膜器件的电致发光强度显著强于普通硅基薄膜器件的电致发光强度，并且工作在更高的输入功率下，不易被击穿。
一种增强硅基薄膜电致发光的方法，包括以下步骤：
(1)用电子束蒸发或直流磁控溅射的方法，在经过化学清洗和氧化层去除后的P型硅片的正面上沉积一层Ag薄膜，然后在氮气或惰性气氛保护下快速热退火制得Ag岛膜，退火温度为300-500℃，退火时间为1-10min；所述的P型硅片的正面为P型硅片的抛光面；
(2)采用氨气和以氮气稀释的硅烷(SiH4)的混合气体作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积的方法，在步骤(1)制得的Ag岛膜上沉积一层富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法在所述的富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜；
(3)用直流磁控溅射的方法，在所述的氧化硅薄膜上沉积一层ITO(Indium Tin Oxide，掺锡氧化铟)薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法在所述的P型硅片的背面沉积一层Al作为背面金属电极，制得硅基薄膜发光器件。
步骤(1)中，所述的P型硅片为P型外延硅片、P型重掺硅片或P型轻掺硅片。
步骤(1)中，所述的惰性气氛通常为氩气。
步骤(1)中，所述的电子束蒸发中，电子束束流大小为15-30mA，膜厚仪显示厚度为
采用纯度为99％及以上的Ag源。最优选的技术方案中，电子束束流大小为18-22mA，膜厚仪显示厚度为
在上述的条件下进行电子束蒸发沉积Ag薄膜，一方面，可保证Ag薄膜的均匀性，使其在经过快速热退火后能形成尺寸适中且相对均匀的颗粒；另一方面，Ag薄膜在经过快速热退火后能形成分散性相对较好的颗粒。
步骤(1)中，所述的直流磁控溅射中，溅射功率为：50-70W，溅射时间为：20-90s，沉积气压为：1-10Pa，采用纯度为99％及以上的Ag源。最优选的技术方案中，溅射功率为57-63W，溅射时间为79-81s，沉积气压为10Pa。在上述的条件下进行直流磁控溅射沉积Ag薄膜，在保证Ag薄膜沉积效率的前提下，使其在经过快速热退火后能形成尺寸适中且分散性相对较好的岛膜。
步骤(2)中，以氮气稀释的硅烷(SiH4)中，氮气和硅烷的体积比为95∶5-85∶15，最优选氮气和硅烷的体积比为90∶10。这样，在保护仪器的前提下，有利于对以氮气稀释的硅烷(SiH4)气体体积流量的控制。
步骤(2)中，氨气和以氮气稀释的硅烷(SiH4)的流量比为10∶100-30∶100，最优选为10∶100。在相同电压下，使用上述流量比制得的硅基薄膜发光器件的电致发光强度相对较强。
步骤(2)中，所述的等离子增强化学气相沉积中，射频功率为：5-25W，衬底温度为：200-400℃，沉积气压为：10-25Pa。最优选的技术方案中，溅射功率为19-21W，衬底温度为400℃，沉积气压为20Pa。这样，在保证富硅氮化硅薄膜沉积效率的前提下，沉积所得的薄膜相对更加致密，薄膜质量相对较好。
步骤(2)中，所述的电子束蒸发中，电子束束流大小为15-50mA，膜厚仪显示厚度为：
采用石英片作为SiO2源。最优选的技术方案中，电子束束流大小为20-30mA，膜厚仪显示厚度为
这样，在保证SiO2薄膜均匀性的前提下，制备所得的硅基薄膜发光器件的稳定性相对较好。
本发明在传统的硅基薄膜器件结构的基础上，利用气相法在器件中加入一层Ag岛膜。Ag岛膜的存在不但增强了富硅氮化硅中激子的辐射复合速率；还增强了器件的载流子注入效率；另外，Ag岛膜的存在使器件的正面出光电极ITO的晶粒尺寸及表面粗糙度变大，这有利于降低光的内反射和提高ITO薄膜的透明性。这三方面的原因使得器件的电致发光强度得到了极大的提高，在相同的驱动电压下，可以实现电致发光强度两个数量级的增强，电致发光强度最高约可增强350倍。本方法中引入Ag岛膜的方法非常简单，可与大规模集成电路制备工艺相兼容。
本发明的硅基薄膜发光器件中，引入了Ag岛膜的结构，由于银纳米颗粒具有独特的表面等离子共振性质，其表面等离子共振性质随颗粒尺寸、形状以及金属纳米颗粒所处的介电环境等变化而变化，当银纳米颗粒与发光体之间的位置在一定范围内，且银纳米颗粒的表面等离子共振能量与发光体的发光能量相近时，银表面等离子就能与发光体发生强烈地耦合，导致发光体的辐射衰减速率增加，从而增强发光体的发光强度。本发明的硅基薄膜发光器件实现了富硅氮化硅薄膜电致发光的增强。
附图说明
图1为实施例1中Ag岛膜的表面形貌图。
图2为实施例1制得的氮化硅基薄膜器件和对比例1制得的参比器件的电致发光谱。
图3为实施例1制得的氮化硅基薄膜器件和对比例1制得的参比器件的电流-电压特性图。
图4为实施例2中Ag岛膜的表面形貌图。
图5为实施例2制得的氮化硅基薄膜器件和对比例2制得的参比器件的电致发光谱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1：
对P型外延硅片(衬底电阻率小于0.004Ω·cm，外延层厚度为11.4μm，电阻率为2.5Ω·cm)进行标准RCA清洗并用氢氟酸去除表面氧化层。标准RCA清洗的步骤如下：将P型外延硅片放入1号清洗液(氨水、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶5)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min；用去离子水充分洗净P型外延硅片，将清洗后的P型外延硅片放入2号清洗液(盐酸、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶6)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min，取出后再用去离子水充分清洗。
然后用电子束蒸发(电子束束流大小为20mA(±2mA)，膜厚仪显示厚度为：
Ag源为：纯度99.99％，衬底温度为：200℃)的方法在P型外延硅片的抛光面(即P型外延硅片的正面)上沉积一层Ag膜，然后在氩气气氛的保护下400℃退火2min获得Ag岛膜，其表面形貌如图1的扫描电子显微镜照片所示，可见Ag岛的尺寸分布从50nm到100nm。
以气体体积流量比为10∶100的氨气(NH3)和用氮气稀释的硅烷(SiH4)(氮气稀释的硅烷中，氮气和硅烷的体积比为90∶10，即硅烷的体积浓度为10％)作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积(射频功率为：20W(±1W)，沉积时间为：6分钟，衬底温度为：400℃，沉积气压为：20Pa)的方法在Ag岛膜上沉积一层厚60nm(±2nm)的富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为25mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
SiO2源：采用宜兴市晶科光学仪器有限公司提供的石英片，石英片预先用丙酮与酒精分别超声15～20分钟进行清洗，衬底温度：300℃)在富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜。
用直流磁控溅射的方法(溅射功率为：60W(±3W)，溅射时间为：5分30秒，氩气和用氩气稀释的氧气(氩气稀释的氧气中，氩气和氧气的体积比为90∶10，即氧气的体积浓度为10％)的气体体积流量比为45∶5，衬底温度为：365℃，沉积气压为：0.7Pa，靶距为：7cm)沉积了一层150nm(±5nm)厚的ITO薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为60mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
Al源为：用酒精擦洗并超声15～20分钟的Al丝，衬底温度为：200℃)在P型外延硅片背面沉积一层Al薄膜作为背面金属电极，制得氮化硅基薄膜器件。
对比例1
对P型外延硅片(衬底电阻率小于0.004Ω·cm，外延层厚度为11.4μm，电阻率为2.5Ω·cm)进行标准RCA清洗并用氢氟酸去除表面氧化层。标准RCA清洗的步骤如下：将P型外延硅片放入1号清洗液(氨水、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶5)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min；用去离子水充分洗净P型外延硅片，将清洗后的P型外延硅片放入2号清洗液(盐酸、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶6)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min，取出后再用去离子水充分清洗。
以气体体积流量比为10∶100的氨气(NH3)和用氮气稀释的硅烷(SiH4)(氮气稀释的硅烷中，氮气和硅烷的体积比为90∶10，即硅烷的体积浓度为10％)作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积(射频功率为：20W(±1W)，沉积时间为：6分钟，衬底温度为：400℃，沉积气压为：20Pa)的方法在P型外延硅片的抛光面(即P型外延硅片的正面)上沉积一层厚约60nm(±2nm)的富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为25mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：SiO2源：采用宜兴市晶科光学仪器有限公司提供的石英片，石英片预先用丙酮与酒精分别超声15～20分钟进行清洗，衬底温度：300℃)在富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜。
用直流磁控溅射的方法(溅射功率为：60W(±3W)，溅射时间为：5分30秒，氩气和用氩气稀释的氧气(氩气稀释的氧气中，氩气和氧气的体积比为90∶10，即氧气的体积浓度为10％)的气体体积流量比为45∶5，衬底温度为：365℃，沉积气压为：0.7Pa，靶距为：7cm)沉积了一层150nm(±5nm)厚的ITO薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为60mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：Al源为：用酒精擦洗并超声15～20分钟的Al丝，衬底温度为：200℃)在P型外延硅片背面沉积一层Al薄膜作为背面金属电极，制得不含Ag岛膜的氮化硅基薄膜器件作为参比器件。
在驱动电压为7V时，分别测试实施例1制得的氮化硅基薄膜器件和对比例1制得的参比器件的电致发光谱，如图2所示。从图2中可以看到，实施例1制得的氮化硅基薄膜器件的电致发光强度较对比例1制得的参比器件的电致发光强度有极大的提高，实现了电致发光强度两个数量级的增强，最高约可达160倍。可见，加入Ag岛膜之后，氮化硅基薄膜器件的电致发光强度得到极大的增强。图2中对比例1所对应的曲线中的电致发光强度值为放大30倍后的电致发光强度值。
分别测试实施例1制得的氮化硅基薄膜器件和对比例1制得的参比器件的电流-电压特性，如图3所示。从图3可以看到，实施例1制得的氮化硅基薄膜器件的载流子注入效率较对比例1制得的参比器件的载流子注入效率有显著的增加，驱动电压为7V时，实施例1制得的氮化硅基薄膜器件的电流强度是对比例1制得的氮化硅基薄膜器件的电流强度的6.5倍。可见，Ag岛膜的加入使氮化硅基薄膜器件的载流子注入效率有了显著增加，从而增大了氮化硅基薄膜器件在相同电压下的电流。
实施例2
对P型外延硅片(衬底电阻率小于0.004Ω·cm，外延层厚度为11.4μm，电阻率为2.5Ω·cm)进行标准RCA清洗并用氢氟酸去除表面氧化层。标准RCA清洗的步骤如下：将P型外延硅片放入1号清洗液(氨水、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶5)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min；用去离子水充分洗净P型外延硅片，将清洗后的P型外延硅片放入2号清洗液(盐酸、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶6)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min，取出后再用去离子水充分清洗。
然后用直流磁控溅射的方法(溅射功率为：60W(±3W)，溅射时间为：80s(±1s)，氩气流量为30sccm，衬底温度为：200℃，沉积气压为：10Pa，靶距为：7cm)在P型外延硅片的抛光面(即P型外延硅片的正面)上沉积一层Ag膜，然后在氩气的保护下400℃退火60s获得Ag岛膜，其表面形貌如图4的扫描电子显微镜照片所示。
以气体体积流量比为10∶100的氨气(NH3)和用氮气稀释的硅烷(SiH4)(氮气稀释的硅烷中，氮气和硅烷的体积比为90∶10，即硅烷的体积浓度为10％)作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积(射频功率为20W(±1W)，沉积时间为6分钟，衬底温度为400℃，沉积气压为20Pa)的方法在Ag岛膜上沉积一层厚60nm(±2nm)的富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为25mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
SiO2源：采用宜兴市晶科光学仪器有限公司提供的石英片，石英片预先用丙酮与酒精分别超声15～20分钟进行清洗，衬底温度：300℃)在富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜。
用直流磁控溅射的方法(溅射功率为：60W(±3W)，溅射时间为：5分30秒，氩气和用氩气稀释的氧气(氩气稀释的氧气中，氩气和氧气的体积比为90∶10，即氧气的体积浓度为10％)的气体体积流量比为45∶5，衬底温度为：365℃，沉积气压为：0.7Pa，靶距为：7cm)沉积了一层150nm(±5nm)厚的ITO薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为60mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
Al源为：用酒精擦洗并超声15～20分钟的Al丝，衬底温度为：200℃)在P型外延硅片背面沉积一层Al薄膜作为背面金属电极，制得氮化硅基薄膜器件。
对比例2
对P型外延硅片(衬底电阻率小于0.004Ω·cm，外延层厚度为11.4μm，电阻率为2.5Ω·cm)进行标准RCA清洗并用氢氟酸去除表面氧化层。标准RCA清洗的步骤如下：将P型外延硅片放入1号清洗液(氨水、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶5)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min；用去离子水充分洗净P型外延硅片，将清洗后的P型外延硅片放入2号清洗液(盐酸、双氧水和去离子水的体积比为1∶1∶6)，在80℃左右(80±5℃)的水浴中放置15～20min，取出后再用去离子水充分清洗。
然后以气体体积流量比为10∶100的氨气(NH3)和用氮气稀释的硅烷(SiH4)(氮气稀释的硅烷中，氮气和硅烷的体积比为90∶10，即硅烷的体积浓度为10％)作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积(射频功率为20W(±1W)，沉积时间为6分钟，衬底温度为400℃，沉积气压为20Pa)的方法在P型外延硅片的抛光面(即P型外延硅片的正面)上沉积一层厚60nm(±2nm)的富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为25mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
SiO2源：采用宜兴市晶科光学仪器有限公司提供的石英片，石英片预先用丙酮与酒精分别超声15～20分钟进行清洗，衬底温度：300℃)在富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜。
用直流磁控溅射的方法(溅射功率为：60W(±3W)，溅射时间为：5分30秒，氩气和用氩气稀释的氧气(氩气稀释的氧气中，氩气和氧气的体积比为90∶10，即氧气的体积浓度为10％)的气体体积流量比为45∶5，衬底温度为：365℃，沉积气压为：0.7Pa，靶距为：7cm)沉积了一层150nm(±5nm)厚的ITO薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法(电子束束流大小为60mA(±5mA)，膜厚仪显示厚度为：
Al源为：用酒精擦洗并超声15～20分钟的Al丝，衬底温度为：200℃)在P型外延硅片背面沉积一层Al薄膜作为背面金属电极，制得了不含Ag岛膜的氮化硅基薄膜器件作为参比器件。
分别测试实施例2制得的氮化硅基薄膜器件和对比例2制得的参比器件的电致发光谱，如图5所示。从图5中可以看到，实施例2制得的氮化硅基薄膜器件的电致发光强度较对比例2制得的参比器件的电致发光强度有极大的提高，同样实现了电致发光强度两个数量级的增强，最高约可达350倍。可见，加入Ag岛膜之后，氮化硅基薄膜器件的电致发光强度得到了极大的增强。
Claims (10)
1.一种增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用电子束蒸发或直流磁控溅射的方法，在经过化学清洗和氧化层去除后的P型硅片的正面上沉积一层Ag薄膜，然后在氮气或惰性气氛保护下快速热退火制得Ag岛膜，退火温度为300-500℃，退火时间为1-10min；所述的P型硅片的正面为P型硅片的抛光面；
(2)采用氨气和以氮气稀释的硅烷的混合气体作为先驱气体，用等离子增强化学气相沉积的方法，在步骤(1)制得的Ag岛膜上沉积一层富硅氮化硅薄膜，然后用电子束蒸发的方法在所述的富硅氮化硅薄膜上沉积一层氧化硅薄膜；
(3)用直流磁控溅射的方法，在所述的氧化硅薄膜上沉积一层ITO薄膜作为正面出光电极，然后用电子束蒸发的方法在所述的P型硅片的背面沉积一层Al作为背面金属电极，制得硅基薄膜发光器件。
2.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的P型硅片为P型外延硅片。
3.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的P型硅片为P型重掺硅片或P型轻掺硅片。
4.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的惰性气氛为氩气。
5.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的电子束蒸发中，电子束束流大小为15-30mA，膜厚仪显示厚度为50-
采用纯度为99％及以上的Ag源。
6.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的直流磁控溅射中，溅射功率为：50-70W，溅射时间为：20-90s，沉积气压为：1-10Pa，采用纯度为99％及以上的Ag源。
7.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，以氮气稀释的硅烷中，氮气和硅烷的体积比为95∶5-85∶15。
8.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，氨气和以氮气稀释的硅烷的流量比为10∶100-30∶100。
9.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的等离子增强化学气相沉积中，射频功率为：5-25W，衬底温度为：200-400℃，沉积气压为：10-25Pa。
10.如权利要求1所述的增强硅基薄膜电致发光的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的电子束蒸发中，电子束束流大小为15-50mA，膜厚仪显示厚度为：100-
采用石英片作为SiO2源。
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