掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管及制备方法技术

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－ＳｉＮ↓［ｘ］薄膜，薄膜厚度在４０－１００ｎｍ之间，在ａ－ＳｉＮ↓［ｘ］薄膜上再镀有薄膜金属电极；Ｐ型单晶硅片的背面镀有另一电极，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光致发光器件及制备方法.尤其是是从发光机理和制备实施工艺两方面提出一种新型的掺氧硅基氮化物薄膜发光二极管。所述发光器件的有源层为掺氧硅基氮化物薄膜。材料制备技术为低温等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术与等离子体氧化技术相结合。
技术介绍
半导体硅(Si)是当前制备微电子器件最重要的材料，现代微电子工艺的飞速发展都是以硅材料为基础。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。然而Si是否能在纳电子器件时代继续扮演重要角色，是否能实现Si单片光电集成？这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研究意义。众所周知，由于晶体硅是间接带隙半导体材料，能带窄，发光效率低，限制了其在光电器件方面的应用，但是由于硅材料与目前成熟的微电子工艺的高度兼容性，科学家一直不断的对其进行探索。近十几年来，许多实验和理论研究工作表明，当Si材料的尺寸减小到几纳米(与电子的德布罗意波长可相比拟)时，呈现出明显的量子尺寸效应，极大的改善其光学特性、发光效率。因此，基于这种物理特性的低维的硅基发光器件备受广泛关注。在当前众多制备硅基发光器件的方法中，可归结为三个主要途径，(1)以多孔硅为有源层的发光器件，其优点是制备简单、光致发光效率高，但是其电致发光稳定性差，效率低，且难以与目前成熟的微电子工艺相兼容，见[1]N.Koshida，et.al.Appl.Phys.Lett.60347(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。其优点是纳米硅表面稳定性和刚性比多孔硅好得多，而且光致发光效率高，其中，令人鼓舞的突破性进展是2000年在镶嵌纳米硅晶粒的二氧化硅系统中光增益的实现。然而其电致发光的进展却相当缓慢，目前存在的主要问题是电致发光效率低、稳定性差。这主要归咎于二氧化硅高的势垒(8.5eV)，不利于载流子的注入，见[2]L.Pavesi，et.al，Nature408，440(2000)。(3)以硅基氮化物为有源层的发光器件。由于其具有高的稳定性、相比于二氧化硅具有较低的势垒及较强的光致发光而备受关注，是当前的研究热点，见[3]L.-Y.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.86193506(2005)；K.S.Cho，et.al.Appl.Phys.Lett.86071909(2005)。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(1)较高的电致发光效率；(2)高的稳定性；(3)低成本；(4)与当前微电子工艺相兼容。因而寻找一种高发光效率、高稳定性、低成本、且与当前微电子工艺相兼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专利技术的出发点。在我们已建立的硅基发光器件的研究基础上，见[4]K.J.Chen，X.F.Huang et.al.Appl.Phys.Lett.612069(1992)，M.X.Wang，K.J.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.72722(1998)。我们提出的新型硅基掺氧氮化物薄膜发光器件制备的新技术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硅基氮化物，形成掺氧硅基氮化物，并以其作为有源层来制备发光器件。通常用PECVD技术在常规温度(300℃)下，以SiH4和NO2为气源生长的含氧a-SiNx薄膜能实现室温的光致发光，但以它作为有源层的发光器件却无法实现室温电致发光，需经过950℃热退火后才能实现，而且发光弱，工作电流密度大，见[5]K.J.Price，et al.J.Appl.Phys.862638(1999)。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、处理功能提出了更高的要求。若能实现硅基的单片光电集成，用光子代替电子作为信息载体，则可极大的提高信息的传输速度和处理能力。近年来由国内外研究结果表明硅基的单片光电集成的实现及实用化，既要求器件有较高的电致发光效率及高的稳定性，又要求较低的成本，同时与当前微电子工艺相兼容。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对以上的要求，提出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硅基氮化物薄膜，经氧等离子体氧化形成非晶态硅基氮化物(a-SiNx)薄膜(掺氧硅基氮化物薄膜)。并以其作为有源层，制备黄绿波段发光二极管。在实验上设计制备一种新型的硅基发光器件。本专利技术目的是提出一种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。本专利技术的技术方案是掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是在电阻率为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。对于以P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝(Al)薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm；作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极；以阴极一侧为光发射端。，室温(10～30℃)生长非晶氮化硅(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P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜由SiH4+NH3通过辉光分解反应而成，其中SiH4流量为6～10sccm，NH3流量为20～40sccm；淀积时间为80～160s，薄膜厚度为40～100nm；功率源频率13.56MHz功率密度0.4～1W/cm2，反应腔压力60～100Pa在80～110℃衬底温度下，在等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)系统内，用等离子体氧化室温生长的a-SiNx薄膜具体工艺条件如下，功率源频率13.56MHz，功率密度0.4～1W/cm2，反应腔压力30～70Pa，O2流量20～35sccm，氧等离子体处理时间10～40min。1、本专利技术原理薄膜器件的电致发光是在外加偏压的作用下，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。器件的电致发光与有源层材料的发光中心密切相关，改善有源层的结构特性，增加有源层材料的发光中心密度，有利于提高器件的电致发光强度及效率。本专利技术通过在室温生长的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜中掺入氧，形成以Si-O形式为主的发光中心，获得高强度的黄绿光硅基发光器件。本专利技术技术方案由于采用室温PECVD技术生长的含氧a-SiNx薄膜，提高了a-SiNx有源层中的Si-O发光中心密度而极大的改善了器件的发光特性，除此，这种方法既与当前微电子工艺技术相兼容，又能极大的降低生产成本，更为重要的是，这种新型的硅基器件实现了室温电致发光，它的发光强度强，开启电压低，因此利用这种低温制备方法非常本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是在电阻率为４－２０Ωｃｍ的Ｐ型单晶硅片或ＩＴＯ玻璃衬底上淀积ａ－ＳｉＮ↓［ｘ］薄膜，薄膜厚度在４０－１００ｎｍ之间，在ａ－ＳｉＮ↓［ｘ］薄膜上再镀有薄膜金属电极；Ｐ型单晶硅片的背面镀有另一电极，ＩＴＯ本身构成另一电极。

【技术特征摘要】
1.掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是在电阻率为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型单晶硅片的背面镀有另一电极，ITO本身构成另一电极。2.根据权利要求要求1所述的掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是对于以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。3.根据权利要求要求1所述的掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，其特征是对于以电阻率为4-20Ωcm的P型硅为阳极的硅基发光器件，其阴极为一环形形状、厚度1μm的金属铝(Al)薄膜，Al环的内径为1mm，外径为2mm；作为阳极的P型硅一侧也蒸镀一层厚度为1μm的Al薄膜作为接触电极；以阴极一侧为光发射端。4.掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管制备方法，其特征是室温10-30℃生长非晶氮化硅薄膜，利用等离子体增强化学汽相淀积，采用硅烷和氨气作为反应气源，在P型单晶硅片或ITO玻...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄锐，陈坤基，钱波，韩培高，李伟，徐骏，王祥，马忠元，黄信凡，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]