TW529188B - Metal oxide silicon structure with increased illumination efficiency by using nanometer structure - Google Patents

Description

529188 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種利用奈米結構提高發光效率之金 氧矽結構，其尤指一種藉由電激發而稱產光子之金氧矽結 構，其係主要利用一奈米結構之氧化層以增加金氧矽之發 光效率。 按，金氧石夕（Metal-Oxide-Silicon，簡稱MOS)結構 在195 9年即由Moll, Pfann，及Garrett提出，但過去從未 被用來做為電激發產生光的用途；金氧石夕結構最先是用來 做為電壓控制的電容器，1 9 70年Boy le和Smith提出了電荷 轉合的觀念，而做出了電荷搞合元件（Charge-Coupled Device, CCD)，目前是CCD earner a和數位相機的關鍵元件 ;到了 1 9 8 0年代，MOS更成為積體電路中極重要的結構， 由N型和P型M0S場效電晶體（M0SFET)合成所做之CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)並且成為 超大型積體電路（VLSI)或極大型積體電路（ULSI)中最重要 的元件。甚至在太陽能電池中，M0S也是極受重視的結構 :雖然M0S在電子領域中扮演了非常重要的角色，但是由

於石夕（Silicon)的間接能隙（indirect bandgap)，使得M0S 可能發光的情形不被看好。 然，本申請人於88年6月1 7日所申請之第45 6 0 5 7號金 氧矽發光二極體，其對於金氧矽藉由一電激發產生光，而 變成發光二極體，揭示一發光二極體之結構以成為一金氧 石夕發光二極體（Metal-Oxide-Silicon Emitting Diode; MOSLED)。 因此，如何針對上述問題而提出一種新穎利用奈米結

第4頁 529188 五、發明說明（2) 構提高發光效率之金氧矽結構，不僅可改善傳統發光效率 問題，長久以來一直是使用者殷切盼望及本發明人念兹在 茲者，而本發明人基於多年從事於半導體相關產品之研究 及開發實務經驗，乃思及改良之意念’窮其個人之專業知 識，經多方研究設計、專題探討，終於研究出一種利用奈 米結構提高發光效率之金氧矽結構改良，可解決上述之問 題。爰是 本發明之主要目的，在於提供一種利用奈米結構提高 發光效率之金氧石夕結構’其主要係用一奈米結構之氧化層 ，造成一不均勻性之穿遂電流，以增加其發光之效率。 本發明之次要目的’在於提供一種利用奈米結構提南 發光效率之金氧矽結構，因其製造方法與目前所使用之製 程接近，可以與目前所使用之矽晶片積體電路整合在一起 ’使得電子晶片與發光元件整合在一起，擴大矽晶片及矽 材料之應用範圍。 本發明之又一目的，在於提供一種利用奈米結構提高 發光效率之金氧矽結構，其金氧矽發光二極體之結構與製 程都相當簡單，且其製作成本低廉及實用價值高，使該製 品具有相當大之競爭力。 本發明已於200 1年10月28日至200 1年10月30日於IEEE conference發表，請參閱附件。本發明提出的創新構想可 以不受石夕（Silicon)的間接能隙（indirect bandgap)所限 制’提局石夕發光效率。 本發明之增加發光率之金氧矽發光二極體的基本原理

第5頁 529188 五、發明說明（3) 在於應用量子力學的穿隧效應（Tunneling effect);由量 子力學的理論計算得知，當氧化層的厚度薄到數奈米（nm〕 時，電子進行穿隧（tunnel ing)的機率將大幅增加，此穿 遂機率（tunneling probability)會隨正向偏壓之增加而 增加，但是氧化層並不是導體，所以仍然有不小的電壓跨 在氧化層的兩端，也就是說，金屬和矽半導體有不同的電 壓，於是導致矽半導體的能帶彎曲；若是N型矽，在正向 偏壓下（金屬接正電壓，矽半導體接負電壓），在氧化層 和矽半導體的介面附近，矽半導體的能帶彎向下，所以形 成電子的位能井（potential well)，而大量累積電子， 此時又有大量的電洞從金屬端藉由穿隧效應（tunneling effect)到達此電子的位能井（potential well)位置，因 此大量的電子和電洞可在此處復合（recombination)而發 出光子。若是P型石夕，其藉由電激發而產生光子的原理也 可依此類推。 使用S i 0奈米粒子在矽半導體與金屬之間，可以形成 一厚度不均勻的氧化層，在金屬和半導體間接有偏壓下， 上述的位能井將不僅是和垂直於S i / S i 0介面的限制，而 且也和S i / S i 0介面平行方向的限制，造成三維的位能井 ，因此造成電子和電洞侷部累積，使得金氧矽結構產生光 時，發光效率大幅提高。 根據量子力學及半導體元件物理，吾人可以知道厚度 薄到數奈米（nm )之氧化層可以有以下特性： 1.可以讓電子以穿隧效應通過，而此穿隧機率

第6頁 529188 五、發明說明（4) (tunneling u , · 。 Pr〇babi 1 1 ty)隨所如電 、 。 之增加而快迷姆λ 2 ·此穿隧拖、古， 孩加 機率隨厚度減少而增 上述觀念是在半導體之_曰域力;。 Γ Ϊ夕ί，因為金屬和半導體間的電：、/的物理機制： 口石、^體的介面附近，矽半導體的Ab ，所以在氧化屛 或電洞的位能# J ’千令體的能帶彎曲，开4、2層 加其互相結：積大量的電子或電、洞，因=子 =期性終止，戶斤以對動量 =導體在介面附 性復合（-Hative recomblnatl〇n)的而機\；成少，使得放光 ”使f審查委員對本發明之的^；大增加。 ^更進一步之瞭解與認識，謹佐以_ # ^ 一所達成之 合詳細之說明，說明如後：^ 之A施例及配 為了避免P型和N型半導體同時說 淆，在此說明中將只以N型半導體上 &可此造成的混 為例；請參閱第1目，其係為本發明之二：：？光二極體 構示意圖；如圖所*，本發明之利用奈米： 之結 率之金氧矽結構，其主要至少係包括.—構楗面發光效 米結構之氧化層20,其係位於該石夕晶片I晶片1〇; 一奈 3〇，其係位於該氧化層之上。 上，及一金屬層 其中該奈米結構之氧化層 流’而在加上偏壓下，可以使 彎曲，又，該奈米結構之氧化 層，但仍可以讓電子在矽晶片 可以造成不均勻的穿隧電 該矽晶片形成不均勻的能帶 層也可以是氮化物類的絕緣 與金屬間以穿隧效應通過，

529188 五、發明說明（5) 可以是氧化物、氮化物及其他絕緣 有使電子在矽晶片與金屬間以穿隧 及絕緣層内的奈米結構，其尺寸可 該氧化層及絕緣層内的奈米結構可 〇 内的奈米結構，其形成的方式可藉 種方式達成：表面不均勻的氧化過 蝕刻法、質子撞擊法、離子撞擊法 束顯影法、X光顯影法、近場光學 式探針造成不均勻氧化等之其中之 型、N型及未攙雜之半導體之其中 該奈米結構之氧化層也 層之其中之一者，其具 效應通過，而該氧化層 以是1 n m到1 0 0 n m之間， 以由S i 0奈米粒子形成 該氧化層及絕緣層 由下列方式之一種或多 程、化學蝕刻法、乾式 、電子束顯影法、離子 顯影法、原子力及穿隧 一者，該矽晶片可為Ρ 之一者。 該金屬層之材料係可為銀、鋁、氧化銦錫（I TO )及其 他可導電之材料之其中一者，且該矽晶片可由其他間接能 隙材料如鍺、S i C等取代。 在未加偏壓時其能帶結構圖，請參閱第2A圖及第2B圖 所示，在熱平衡下，能帶是彎曲的，此時沒有電流流通， 所以不會放光。當金屬端加上正電壓時，此彎曲之能帶逐 漸拉平，但在完全拉平之前，電流仍然不大。另一方面， 因為能帶仍向上彎曲，所以靠近矽氧化層之介面附近沒有 累積電子，因此不會有相當數量的電子電洞復合發生。 當金屬端之正電壓繼續增加到能帶完全拉平時，從穿 隨的載體（c a r r i e r)所需越過的能階障礙也減少，所以 電流增加。而正電壓繼續增加時，能帶變成向下彎曲，於

第8頁 529188 五、發明說明（6) 是根據量子力學之WKB法知道，穿隧機率大為提高，請參 閱第3 A圖及第3 B圖所示之，所以電流急速增加（稱為 t u η n e 1 i n g電流）；參閱第4圖，其係為本發明之一較佳實 施例之在正向偏壓下的電流一電壓特性圖；此圖顯示在電 壓大於平帶電壓下，電流急速增加。 在能帶向下彎曲的時候，導電帶（conduction band) 靠近矽氧化層之介面附近形成電子之位能井，因此累積了 大量的電子，而同時又有大量的電洞從金屬端穿隧過來到 達矽氧化層之介面附近，所以有相當數量的電子電洞復合 發生。但是因為矽半導體是間接能隙材料，電子和電洞的 動量並不相等，在復合時，動量守恆無法達成，因此還需 聲子（phonon)參與，才能滿足動量守恒的要求，以致於在 一般情形下，電子電洞直接復合產生光的機率不大。 而使用S i 0奈米粒子在矽半導體與金屬之間，可以造 成氧化層的厚度不均勻，而產生以下兩種效應： 1. 在正向偏壓時，跨過薄氧化層和厚氧化層的電壓相 同，也就是說，薄氧化層的電壓梯度比厚氧化層的電壓梯 度大，因此使得矽半導體中，與薄氧化層接觸處之能帶彎 曲比厚氧化層接觸處之能帶彎曲大，而形成三維的位能井 ，請參閱第5圖所示之，z軸是和Si/SiO介面垂直的方向 ，X軸是和Si/SiO介面平行的方向。能帶在y軸方向和 X軸方向類似，所以y軸在此圖中沒有畫出來。此三維的 位能井對應於薄氧化層處，使電子在此累積。 2. 如前所述，穿隧機率隨厚度減少而增加，所以，薄

第9頁 529188 五、發明說明（7) 氧化層處的穿 洞也在薄氧化 上述二效 ，而因為奈米 一柰米區域内 因為 矽半 生光時還需聲 狀況 率很 求，一般 一起 〇 而 電洞 原來 成是 為提 和金 米粒 的機 當電 已經 是三 兩個 南， 請參 屬之 步驟 步驟 子濃 子和 在一 個粒 粒子 使得 閱第 間， 100 200 度， 隧機率比厚氧化層接觸處大，使得穿隧的電 層處大量累積。 應相當於讓電子和電洞侷部累積於同一區域 粒子小於1 0 0 n in，所以電子和電洞被偈限於 〇 導體是間接能隙材料，電子電洞直接復合產 子（phonon)參與，才能滿足動量守恒的要 下，電子、電洞、和聲子三個粒子同時碰在 小，所電子電洞直接復合產生光的機率很小 電洞被侷限於一柰米區域内時，因為電子和 起了，所以聲子很容易加進來，也就是說， 子（電子、電洞、和聲子）的碰撞，現在變 (電子電洞對和聲子）的碰撞，因此機率大 發光效率增強。 6圖所示之，將S i 0奈米粒子鋪在矽半導體 其製造流程如下： 將矽基板清洗乾淨； 將原來的S i 0奈米粒子溶液稀釋，減低奈 以旋轉塗佈方式，將奈米粒子鋪於矽基板上 步驟3 0 0，將樣品烤乾，去除有機溶劑； 步驟4 0 0，在S i 0奈米粒子鍍上極薄的鋁； 步驟5 0 0，讓薄鋁氧化，形成極薄之氧化層；及 步驟6 0 0，在薄鋁上鍍上銀或銀漆，形成金屬層

第10頁 529188 五、發明說明（8) 〜 上述之製程只是一實施例，並不限定本發明之製作 ^ °只要能讓氧化層的厚度不均勻，而不均勻的顆粒尺 是奈米級（1 0 0 n m以下），皆可達成本發明的目的。 、 請參閱第7 A圖所示，其係為本發明之一較佳實施例 光強度和電流關係圖；請參閱第7B圖所示，其係為現八 氧化層沒有奈米粒子的光強度和電流關係圖；本發明明^ 地增強了光強度，使效率提高了百倍以上，如第7"A圖所^ 在5ΟπιA的電流下，輸出光可達1 · 5贡W，對應的外部量子= 率近1 0-4 ;然而此光強度’只計算由銀膠邊緣射出的部份攻 大部份的光不是被銀膠遮住，就是往別的方向射出，並 被收集入光偵測器，因此真正的外部量子效率可能達丨’未 由於此M0S結構的製程與傳統M0S結構的製程接近， 是做在矽晶板上’因此可以和目前的矽晶片積體電路完f 整合在一起，使得矽晶片不僅可以有電子產品上的應$， 也可以做為高效率發光元件，而電子晶片與發光元件的时 石整合（Monolithic integration)，可以更加擴大石夕= 片及矽材料的應用範圍。而且此金氧矽發光二極體之 結構和製程都相當簡單，製作成本低廉，可以直接和1(：工 業結合，所以具有相當大的實用價值。 綜上所述，本發明係有關於一種利用奈米結構提高發 光效率之金氧石夕結構，其尤指一種藉由電激發而能產生^ 子之金氧矽結構，其係主要利用一具有奈米結構之氧化層 以增加金氧矽之發光效率。故本發明實為一具有新穎性、曰

529188 五、發明說明（9) 進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專 利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早 曰賜准專利，至感為禱。 惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並 非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範 圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾 ，均應包括於本發明之申請專利範圍内。 圖號簡單說明： 1 0矽晶片 2 0氧化層 3 0金屬層

第12頁 圖式簡單說明 第1圖：其係為 第2A圖及第2B圖 氧矽發 偏壓下 第3 A及3 B圖：# 金氧矽 第4圖 第5圖 第6圖 第7A圖 第7B圖 附件 屬分別 其係為 電流^ 其係為 一極體 圖； 其係為 其係為 係圖； 其係為 流關係 本發明於 本發明 :其係 光二極 的能帶 係為本 發光二 接負向 本發明 電壓特 本發明 在金屬 與正向偏 之一較佳 性圖； 之一較佳 分別接正 之一較佳 為本發明 體和P型 結構圖 發明之一 實施例之製造流程圖； 實施例之光強度和電流關 conference公開 實施例之結構示意圖； 之一較佳實施例之N型金 金氧$夕發光二極體在未加 較佳實施例之一維之N型 型金氧矽發光二極體在金 壓下的能帶結構圖； 實施例之在適當偏壓下的 實施例之N型金氧矽發光 向偏壓下的二維能帶結構 本發明之一較佳 本發明之一較佳 及 現今之氧化層沒有奈米粒子的光強度和電 圖。

2 0 0 1年10月28日至20 0 1年10月30日於IEEE 發表資料。

Claims (1)

1. 529188 六、申請專利範圍 1 · 一種利用奈米結構提高發光效率之金氧矽結構，其主 要至少係包括： 一碎晶片， 一具有奈米結構之氧化層，其係位於該矽晶片之上； 及 一金屬層，其係位於該氧化層之上。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之金氧矽結構，其中該奈 米結構之氧化層，可以造成不均勻的穿隧電流。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之金氧矽結構，其中該奈 米結構之氧化層，在加上偏壓下，可以使該矽晶片形 成不均勻的能帶彎曲。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之金氧矽結構，其中該奈 米結構之氧化層也可以是氮化物類的絕緣層，但仍可 以讓電子在矽晶片與金屬間以穿隧效應通過。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之金氧矽結構，其中該奈 米結構之氧化層也可以是氧化物、氮化物及其他絕緣 層之其中之一者，其具有使電子在矽晶片與金屬間以 穿隧效應通過。 6 ·如申請專利範圍第1或4或5項所述之金氧矽結構， 其中該氧化層及絕緣層内的奈米結構，其尺寸可以是 1 n m到1 0 0 n m之間。 7 ·如申請專利範圍第1或4或5項所述之金氧矽結構， 其中該氧化層及絕緣層内的奈米結構可以由S i 0奈米 粒子形成。

   第14頁 529188 圍第1或4或5項所述之金氧矽結構， 及絕緣層内的奈米結構，其形成的方式 或多種方式達成：表面不均勻 法、乾式蝕刻法、質子撞擊法 顯影法、離子束顯影法、X光 法、原子力及穿隧式探針造成 一者。 4或5項所述之金氧矽結構， 、N型及未攙雜之半導體之其 4或5項所述之金氧矽結構， 可為銀、鋁、氧化銦錫（I T 0) 4或5項所述之金氧矽結構， 間接能隙材料如鍺、S i C等取 六、申請專利範圍 8 ·如申請專利範 其中該氧化層 可藉由下列方 的氧化過程、 、離子撞擊法 顯影法、近場 不均勻氧化等 9 ·如申請專利範 其中該秒晶片 中之一者。 1 0 ·如申請專利範 其中該金屬層 及其他可導電 1 1 ·如申請專利範 其中該矽晶片 代0 式之一種 化學钱刻 、電子束 光學顯影 之其中之 圍第1或 可為P型 圍第1或 之材料係 之材料之其中一者 圍第1或 可由其他 _

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