硅光电器件及其制造方法以及图像输入和/或输出设备技术

提供一种制造硅光电器件的方法、由该方法制造的硅光电器件以及包含该硅光电器件的图像输入和／或输出设备。该方法包括准备ｎ或ｐ型硅基衬底，通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形，在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜，以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过ｐ－ｎ结中的量子限制效应产生引起光发射和／或接收的光电转换效应。该硅光电器件具有优越的发光效率，至少可以作为光发射器件和光接收器件之一使用，并且具有高的波长选择性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造硅光电器件的方法、以该方法制造的硅光电器件以及具有该硅光电器件的图像输入和/或输出设备。
技术介绍
使用硅半导体衬底的优点在于，它提供优越的可靠性并允许逻辑器件、运算器件和驱动器件在衬底上以高密度集成。同样，由于廉价硅的使用，硅半导体材料能够以比化合物半导体材料低得多的成本应用于高集成电路的制造中。这也是许多集成电路以硅为基本材料的原因。在这方面，关于硅基发光器件制造的研究已经扩展到将它们兼容地应用于集成电路的制造中以获得廉价的光电器件。已经证实，多孔硅和纳米晶硅具有光发射特性。图1绘出了形成在体单晶硅表面上的多孔硅区域的截面，以及多孔硅区域价带和导带之间的能量带隙。多孔硅是体单晶硅表面阳极电化学溶解的产物，例如，在包含氢氟酸(HF)的电解液中。当体硅在HF溶液中受到阳极电化学溶解作用时，在体硅表面会形成具有许多孔隙70a的多孔硅区域70，如图1所示。相对于没有在HF溶液中溶解的未动区域70b，孔隙70a具有更多的Si-H键。多孔硅区域70的价带能量(Ev)和导带能量(Ec)之间的能量带隙具有与多孔硅区域70形成反差的形状。能带中突出部分之间的凹陷部分，即多孔硅区域70中孔隙70a之间的未动区域70b，显示出量子限制效应。因此，凹陷部分的能量带隙变得比体硅的能量带隙大，电子和空穴被俘获在未动区域70b中，从而引起发光复合。例如，在多孔硅区域70中，当孔隙70a之间的未动区域70b以显示量子限制效应的单晶硅线的形状形成时，电子和空穴被俘获在线中，从而引起了发光复合。发光波长可以根据线的尺寸(宽度和长度)从近红外光区域改变到蓝光区域的波长。在这种情况下，孔隙70a的周期可以约为5nm并且多孔硅区域的最大厚度可以为3nm，如图1所示。因此，当向多孔硅基发光器件中具有多孔硅区域70的单晶硅施加预定的电压时，根据孔隙率能够发出具有预定波长带的光。然而，作为发光器件，如上所述的多孔硅基发光器件仍不能提供可靠性，并且显示出低至0.1％的外部量子效率(EQE)。图2是纳米晶硅发光器件的一个示例的示意性截面图。参照图2，纳米晶硅发光器件包括如下叠层结构p型单晶硅衬底72，形成在衬底72上的非晶硅层73，形成在非晶硅层73上的绝缘层75，以及分别形成在衬底72下表面和绝缘层75上表面上的下电极和上电极76和77。纳米晶硅量子点74形成在非晶硅层73中。当非晶硅层73在氧气氛中通过700℃快速热处理再结晶时，形成纳米晶硅量子点74。在这种情况下，非晶硅层73具有3nm的厚度，纳米晶硅量子点74具有约2到3nm的直径。在使用如上所述的纳米晶硅量子点74的发光器件中，当向上、下电极77和76施加反向电压时，将在硅衬底72和纳米晶硅量子点74之间的非晶硅层的两端产生强电场，从而产生高能态的电子和空穴。由此，所产生的电子和空穴发生进入纳米晶硅量子点74的隧穿，从而造成发光复合。在这种情况下，使用纳米晶硅量子点74的发光器件的发光波长随着纳米晶硅量子点尺寸的减小而缩短。然而，使用纳米晶硅量子点74的发光器件的问题在于，难以控制纳米晶硅量子点的尺寸和获得纳米晶硅量子点的均匀性，并且发光效率非常低。
技术实现思路
本专利技术提供一种制造硅光电器件的方法，该硅光电器件具有优越的发光效率，至少可以作为光发射器件和光接收器件之一使用，并且具有高的波长选择性。本专利技术还提供由该方法制造的硅光电器件和使用硅光电器件的图像输入和/或输出设备。根据本专利技术的一个方案，所提供的制造硅光电器件的方法包括准备n或p型硅基衬底，通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形，在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜，以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或光接收的光电转换效应。形成微缺陷图形可以包括在该衬底表面上形成掩模层；在该掩模层中形成具有期望尺寸和周期的开口；蚀刻与该掩模层开口相应的衬底表面，以便沿该衬底表面形成微缺陷图形；以及去除该掩模层。掩模层中的具有期望尺寸和周期的开口的形成可以通过使用单个探针或具有多个探针阵列的多探针实现。探针可以是原子力显微镜(AFM)探针。控制薄膜是二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜允许该掺杂区域形成该深度，以便通过掺杂区域和衬底之间的p-n结中的量子限制效应产生光电转换效应。微缺陷图形可以具有与所发射和/或接收的光的波长相应的周期。微缺陷图形可以形成单一周期，以便发射和/或接收单一波长的光。当在微缺陷图形上形成具有多个开口的控制薄膜并通过这些开口形成多个掺杂区域时，可以获得多个硅光电器件的阵列。当微缺陷图形形成具有不同周期的多个微缺陷图形区域，控制薄膜形成与该周期相应的多个开口以及通过这些开口形成多个掺杂区域时，可以获得发射和/或接收多种波长的光的多个硅光电器件的阵列。根据本专利技术的另一方案，所提供的硅光电器件至少通过上述方法之一制造。根据本专利技术的又一方案，所提供的图像输入和/或输出设备包括具有硅光电器件二维阵列的硅光电器件板，其中每个硅光电器件都输入和/或输出图像，并形成在n或p型硅基衬底上，每个硅光电器件包括通过蚀刻沿衬底表面形成的微缺陷图形；以及在具有微缺陷图形的衬底表面上使用与衬底相反类型的预定杂质形成的掺杂区域，该掺杂区域掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。当图像的输入和输出都发生时，一些硅光电器件可以输入图像而其余的硅光电器件可以输出图像。当图像的输入和输出都发生时，每个硅光电器件都可以输入并输出图像。可以在衬底上构图电极，以便实现从硅光电器件板逐像素地输入和/或输出图像。硅光电器件板的每个像素可以包含三个或更多硅光电器件。再这种情况下，相应于每个像素的三个或更多硅光电器件可以具有不同周期的微缺陷图形，并可以发射和/或接收表示彩色图像的不同波长的光。附图说明本专利技术的上述及其他特征和优点将通过参照附图详细描述其典型实施例而变得更加明显，其中图1绘出了形成在体单晶硅表面上的多孔硅区域的截面，以及多孔硅区域价带和导带之间的能量带隙；图2是纳米晶硅发光器件的一个示例的示意性截面图；图3到图6绘出了根据本专利技术的实施例制造硅光电器件的工艺；图7是使用原子力显微镜(AFM)的探针在掩模层中形成开口的原理示意图；图8A和8B绘出了用于AFM探针的不同的尖头；图9是使用AFM单探针或AFM多探针在掩模层中形成的布图开口的示意图；图10是在二维上观察的沿衬底表面形成的具有三角形突起的微缺陷图形的示意图，即三角形微缺陷图形；图11是在二维上观察的沿衬底表面形成的具有梯形突起的微缺陷图形的示意图；图12是根据本专利技术实施例的硅光电器件的示意性截面图；图13绘出了沿根据本专利技术的硅光电器件的衬底表面人为形成的微缺陷图形，该微缺陷图形具有分别与红光波长带、绿光波长带和蓝光波长带相应的周期TR、TG和TB；图14绘出了如同美国专利申请No.10/122,421中的沿衬底表面的自组织微缺陷图形；图15是表示硅光电器件的光发射特性模拟结果的曲线图，它们是分别具有如图10和11所示的、沿衬底1表面形成的周期性三角形和梯形微缺陷的两种硅光电器件以及无微缺陷的硅光电器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造硅光电器件的方法，包括：准备ｎ或ｐ型硅基衬底；通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形；在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜；以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过ｐ－ｎ结中的量子限制效应产生引起光发射和／或接收的光电转换效应。

【技术特征摘要】
KR 2003-1-17 3259/031.一种制造硅光电器件的方法，包括准备n或p型硅基衬底；通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形；在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜；以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。2.根据权利要求1所述的方法，其中形成微缺陷图形包括在该衬底表面上形成掩模层；在该掩模层中形成具有期望尺寸和周期的开口；蚀刻与该掩模层开口相应的衬底表面，以便沿该衬底表面形成微缺陷图形；以及去除该掩模层。3.根据权利要求2所述的方法，其中在该掩模层中的、具有期望尺寸和周期的开口的形成是通过使用单个探针或具有多个探针阵列的多探针实现的。4.根据权利要求3所述的方法，其中该探针是原子力显微镜(AFM)的探针。5.根据权利要求1所述的方法，其中控制薄膜是二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜允许该掺杂区域形成该深度，以便通过掺杂区域和衬底之间的p-n结中的量子限制效应产生光电转换效应。6.根据权利要求1所述的方法，还包括在衬底上形成第一和第二电极，以便与掺杂区域电连接。7.根据权利要求1所述的方法，其中掺杂区域的形成是通过预定杂质的非平衡扩散实现的。8.根据权利要求1所述的方法，其中在掺杂区域形成后，选择性地去除控制薄膜。9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其中该微缺陷图形具有与所发射和/或接收的光的波长相应的周期。10.根据权利要求9所述的方法，其中该微缺陷图形形成单一周期，以便发射和/或接收单一波长的光。11.根据权利要求10所述的方法，其中当在微缺陷图形上形成具有多个开口的控制薄膜并通过这些开口形成多个掺杂区域时，形成了多个硅光电器件的阵列。12.根据权利要求9...

【专利技术属性】
技术研发人员：李银京，崔秉龙，安弼洙，金俊永，陈暎究，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]