CN103560192A - 金属等离子体激元耦合发光增强硅基led及其制作方法 - Google Patents

金属等离子体激元耦合发光增强硅基led及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微电子与光电子技术领域，涉及一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，采用标准CMOS工艺制成，包括集成在P型硅衬底上的P+N阱发光结及P电极和N电极，P+和N+均为尖端角度在75°至90°之间的楔形结构，在P+N阱发光结的上方，先覆盖有一层SiO2，再在SiO2表面制作有金属Ag光子晶体结构。本发明利用金属光子晶体的SPP泄露模式近场局域耦合增强器件发光效率，提高了硅基CMOS器件发光强度，且器件发光面积集中，具有较高的光功率密度，有利于器件光电集成。

Description

金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED及其制作方法
技术领域
本发明涉及微电子与光电子技术领域，特别涉及一种高光电转换效率的硅基LED。本发明利用优化的器件结构和二维金属光子晶体的等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)模式耦合增强硅基发光二极管发光效率。
背景技术
近年来，利用金属介质纳米粒子结构在器件中的等离子体激元耦合实现发光增强，是目前国内外非常重视的一种增强发光器件性能的有效方法。
2006年，澳大利亚的Pillai研究小组在具有银纳米粒子层的Silicon-on-insulator(SOI)LED上，通过激发银纳米粒子的SPP，可使发光峰为900nm的电致发光效率提高8倍。
2010年，R.J.Walters等人在Nature Material发表了硅基电驱动表面等离子体源，该器件采用金属-绝缘物-金属(MIM)波导结构。可以验证硅基光辐射和金属SPP模式有效耦合。该结构中金属既作为电极又可作为包层传导SPP模式，该器件制作工艺与CMOS后端工艺兼容。金属包层采用具有一定光学厚度的金薄膜，绝缘层采用含有硅量子点的半绝缘铝。当足够大的电压加在金属间的绝缘层上时，隧穿电子通过碰撞电离激发半绝缘体中的量子点。MIM波导中的绝缘介质很薄以至于不能承载光模式，受激量子点通过近场耦合进入SPP模式。
另外，Joseh等人计算了发光体的量子效率与荧光增强的关系，得出SPP耦合发光的量子效率和增强倍数与材料自身发光量子效率的关系，研究结果表明，对于自身发光较弱的材料，SPP增强的效果更加明显，这有利于SPP耦合在硅材料发光增强领域的应用。其次，影响SPP增强荧光强度的因素还包括金属的等离子共振带与发光中心荧光峰的光谱位置关系，激发光频率与金属等离子共振频率间的关系等。再次，自发辐射的增强或减弱还受耦合结构和耦合方式的影响。SPP中常见的结构为具有纳米结构的金属薄膜或是金属岛膜，但是由于金属膜的精细结构(如金属颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒体积分数、颗粒组成和颗粒结构等因素)的不同，其等离子共振频率、SPP的吸收和散射等性质差别较大，与发光中心作用后结果也不尽相同。
综合所述，SPP用于增强硅基发光器件的发光效率受许多因素的影响，这些因素相互影响和制约。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于CMOS工艺的硅基高效电致发光二极管及其制作方法。本发明利用金属光子晶体的SPP泄露模式近场局域耦合增强器件发光效率，提高了硅基CMOS器件发光强度，且器件发光面积集中，具有较高的光功率密度，有利于器件集成。本发明的技术方案如下：
一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED制作方法，包括下面步骤：
(1)在P型硅衬底上利用离子注入工艺注入N阱；
(2)在N阱上注入尖端角度在75°至90°之间的P+楔形结构，形成P+N阱发光结，发光区域即在P+楔形结构尖端处及其附近；在距P+楔形结构尖端200-300nm处注入N+楔形结构；
(3)在发光区域上表面利用栅氧化工艺制备第一层SiO2，其厚度为20-40nm；
(4)在第一层SiO2上，利用电子束蒸发工艺，制备Ag，其厚度为30-50nm；
(5)将Ag层蚀刻为金属Ag光子晶体结构；
(6)开P电极和N电极孔，制作P电极和N电极。
作为优选实施方式，第(5)步中，依次包括下列步骤：
1)在Ag的表面，利用等离子体增强化学气相沉积工艺制备第二层SiO2，；
2)在第二层SiO2的表面，涂覆光刻胶；
3)光刻光子晶体掩膜板，采用氧等离子体打胶，制备周期为700nm，直径为500nm的正方晶格光子晶体光刻胶掩膜；
4)以光刻胶为掩膜，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀SiO2；
5)去除光刻胶，得到SiO2光子晶体掩膜；
6)利用SiO2光子晶体掩膜，把Ag层刻蚀为光子晶体图形；
7)BOE溶液去除第二层SiO2。
步骤(6)中，在P+和N+上方光刻电极孔，利用电子束蒸发和金属剥离工艺分别制作P电极和N电极。
6.本发明同时提供的金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，采用标准CMOS工艺制成，包括集成在P型硅利底上的P+N阱发光结及P电极和N电极，P+和N+均为尖端角度在75°至90°之间的楔形结构，在P+N阱发光结的上方，先覆盖有一层SiO2，再在SiO2表面制作有金属Ag光子晶体结构。
作为优选实施方式，把Ag层蚀刻成周期为700nm，直径为500nm的正方形晶格金属光子晶体。
本发明具有下面优点：
(1)制备楔形电极，利用尖端电极强电场产生热载流子提高器件注入效率。
(2)利用微纳加工手段制作金属光子晶体，凋制金属SPP波，金属光子晶体SPP耦合结构可以避免以往研究工作中金属膜颗粒结构的尺寸、分布、形状等不规则情况对SPP波有效激发的影响，具有更好的SPP波长激发一致性和可控性。
(3)利用金属光子晶体SPP泄露模式与硅基光辐射模式耦合，利用SPP泄露模式提高硅基发光器件外量子光效率。
(4)利用光子晶体倒格矢降低金属等离子体激元频率，实现与硅基发光器件光辐射波长的匹配，提高金属SPP波近场耦合效率，进而提高器件内量子效率。
(5)利用CMOS栅氧化工艺，在PN结和金属光子晶体之间制备SiO2薄膜，隔离金属光子晶体和发光区域，避免了SPP波金属淬灭。
(6)利用二维光子晶体倒格矢，调制金属SPP与硅基光辐射波长匹配。
附图说明
附图1为金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED切面示意图。
图中1-N阱2-P+3-N+4、5-电极6-SiO27-金属Ag光子晶体8-P型硅衬底
附图2为金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED俯视示意图。
附图3为楔形结构P+的俯视图，中间的矩形为电极。
附图4为金属Ag光子晶体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步描述本发明。
本发明制作的LED，参照CMOS工艺制备楔形电极浅阱电致发光PN结，在P+N阱发光结之上，制备一层SiO2。在SiO2之上，制备金属光子晶体一层。如附图1和附图2所示。
本发明参考标准集成电路工艺，设计等离子体激元耦合增强器件发光。器件PN结设计在浅阱内，载流子位于器件表面复合，降低硅基材料对光辐射的吸收。利用PMOS和NMOS源漏区离子注入工艺注入P+和N+楔形电极，产生PN结注入强电场，提高器件光辐射效率和光功率密度。器件正向发光工作电压控制在2V内，与硅基集成电路工作电压兼容。楔形结构的P+、N+有两部分组成，一矩形部分用来与外部金属电极形成欧姆接触，以及使电极接触部分的电场均匀；一三角形为45°直角三角形，利用尖端产生强场，利于硅发光。如附图3所示。
P+N阱发光结上部是本发明的关键技术所在：最上层的金属光子晶体，利用Lorentz-Drude模型分析金属在硅发光频率范围内的极化，准确得出金属复介电常数的解析表达式。结合金属复折射率和严格耦合波(RCWA)计算方法，分析金属光子晶体在硅发光波长范围内的角度透过谱，得到金属光子晶体色散特性与晶格常数、占空比之间的关系。选取金属SPP泄露模式与硅基光辐射模式耦合，利用SPP泄露模式提高器件发光效率。
最上层的金属光子晶体与硅发光器件表面之间有隔离层SiO2，降低SPP金属损耗。SPP模式损耗主要来自金属传播损耗和金属与Si界面欧姆接触损耗。本发明主要使用金属光子晶体的泄露模式，所以SPP波在金属材料中传输损耗很小。对于金属半导体材料间欧姆接触产生的SPP损耗，可以考虑借助CMOS栅氧化工艺，制备SiO2薄膜30nm，隔离金属光子晶体和硅发光区域，避免SPP波金属淬灭。
本发明制作的金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，在P型硅衬底上注入N阱，在N阱上注入楔形结构P+、N+，楔形结构P+、N+的尖端为90°，发光区域即在P+尖端处及其附近；在发光区域的上表面，先覆盖一层SiO2，再覆盖一层Ag层，之后，利用光刻掩膜方法，把Ag层蚀刻成周期为700nm，直径为500nm的正方形晶格金属光子晶体结构。如附图4所示。
本实施例的楔形结构P+、N+的尖端为90°，在实际的制作工艺中，这个尖端的角度可以在75°至90°之间适当调整。
本发明中的金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED制作方法，具体包括下面步骤：
(1)在P型砖衬底上注入N阱，N阱的掺杂浓度为1.514×1017cm-3；
(2)在N阱上注入楔形结构P+，P+的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，楔形结构P+的尖端为90°，发光区域即在90°尖端处及其附近；距P+尖端300nm处，注入楔形结构N+，N+的掺杂浓度为1.0×1020cm-3；
(3)在发光区域上表面利用栅氧化工艺制备第一层SiO2，其厚度为30nm；
(4)在第一层SiO2上，利用电子束蒸发工艺，制备Ag，其厚度为50nm，面积为1μm×1μm
(5)依次进行如下的操作，蚀刻金属光子晶体：
1)在Ag的表面，利用等离子体增强化学气相沉积工艺制备第二层SiO2；
2)在第二层SiO2的表面，涂覆光刻胶(Zip520或者PMMA)；
3)光刻光子晶体掩膜板，采用氧等离子体打胶30秒，制备周期为700nm，直径为500nm的正方晶格光子晶体光刻胶掩膜；
4)以光刻胶光子晶体为掩膜，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀SiO2掩膜，刻蚀时间3+3+3=9分钟，每刻蚀三分钟停顿20分钟，待刻蚀样品降温后重新刻蚀；
5)利用丙酮超声去胶；
6)以SiO2为掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀Ag光子晶体图形，刻蚀气体比可以为BCl3：Cl2：Ar=6：3：20；
7)用BOE溶液去除第二层SiO2；
(6)制作P电极和N电极：在P+和N+上方光刻电极孔，利用电子束蒸发和金属剥离工艺分别制作P电极和N电极。

Claims (5)

1.一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED制作方法，采用标准CMOS工艺制成，包括下面步骡：
(1)在P型硅衬底上利用离子注入工艺注入N阱；
(2)在N阱上注入尖端角度在75°至90°之间的P+楔形结构，形成P+N阱发光结，发光区域即在P+楔形结构尖端处及其附近；在距P+楔形结构尖端200-300nm处注入N+楔形结构；
(3)在发光区域上表面利用栅氧化工艺制备第一层SiO2，其厚度为20-40nm；
(4)在第一层SiO2上，利用电子束蒸发工艺，制备Ag，其厚度为30-50nm；
(5)将Ag层蚀刻为金属Ag光子晶体结构；
(6)开P电极和N电极孔，制作P电极和N电极。
2.根据权利要求1所述的LED制作方法，其特征在于，第(5)步中，依次包括下列步骤：
(1)在Ag的表面，利用等离子体增强化学气相沉积工艺制备第二层SiO2，；
(2)在第二层SiO2的表面，涂覆光刻胶；
(3)光刻光子晶体掩膜板，采用氧等离子体打胶，制备周期为700nm，直径为500nm的正方晶格光子晶体光刻胶掩膜；
(4)以光刻胶为掩膜，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀SiO2；
(5)去除光刻胶，得到SiO2光子晶体掩膜；
(6)利用SiO2光子晶体掩膜，把Ag层刻蚀为光子晶体图形；
(7)BOE溶液去除第二层SiO2。
3.根据权利要求1所述的LED制作方法，其特征在于，步骤(6)中，在N+和P+上方光刻电极孔，利用电子束蒸发和金属剥离工艺分别制作P电极和N电极。
4.一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，采用标准CMOS工艺制成，包括集成在P型硅衬底上的P+N阱发光结及P电极和N电极，其特征在于：P+和N+均为尖端角度在75°至90°之间的楔形结构，在P+N阱发光结的上方，先覆盖有一层SiO2，再在SiO2表面制作有金属Ag光子晶体结构。
5.根据权利要求4所述的一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED，其金属Ag光子晶体结构是周期为700nm，直径为500nm的正方形晶格。
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