专利名称：掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在有源光电子器件、光电集成等领域应用的掺杂层中按设定图形嵌入 金属的半导体电致发光器件，属于集成光电子技术领域。
背景技术：
表面等离子体波[Surface Plasmon Polariton(SPP)]是一种电磁场和金属表面电子的 相互耦合振动，在介质中它的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，可以 将光波横向限制在亚波长的尺度内；并且在近谐振频率附近其色散曲线平坦、光子态密度 大，与有源介质相互作用时可以增强其自发辐射，这在有源光电子器件、光子集成等领域 将有广泛的应用前景。
虽然利用光致发光的方法，在氮化镓、氧化锌、纳米晶硅等发光材料系中，均己观察 到了近谐振频率附近自发辐射显著增强的现象，但是对应的电致发光器件却没有进展。已 有的电致发光器件，金属实际上只是作为传统电极材料，并而未有效的利用其表面等离子 体特性以实现对发光效率的显著增强。这是因为在实际电致发光器件中，掺杂层作为电注 入结构的一部分，是必不可少的。与此同时，表面等离子体波的振幅随着离开界面的距离 指数衰减，实际上只有在贴近金属表面的区域才能获得较显著的增强。这样，由于金属层 和有源区之间存在数百nm厚的掺杂层，表面等离子波对有源区发光的增强效果相当的微弱， 内量子效率几乎无法得到提升。
基于氮化镓、氧化锌发光材料的电致发光器件在固态照明、半导体紫外光源等领域有 着重要应用；基于纳米晶硅的硅基电致发光器件，则可能成为实现芯片间、芯片内光互联 的核心部件。因此，如何有效的提高这些器件的电致发光效率，有着很强的实际意义。
发明内容
本发明是提供了一种可以在半导体电致发光器件中有效的发挥表面等离子增强效果的
器件结构设计思路掺杂层中嵌入设定图形的金属层。本发明的特征在于
1、 该器件含有下掺杂层(011)，位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位
于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图 形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014),其中金属为金、银、 铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观 形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为l-50nm，金属层(014)到有源区(012) 的距离限定为0-50nm。
2、 该器件含有金属薄层(021)，位于金属薄层(021)上的有源区(012)，以及位 于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图 形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)，其中金属为金、银、 铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观 形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为l-50nm，金属层(014)到有源区(012) 的距离限定为0-50皿。
3、 该器件含有下掺杂层(011)，位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位 于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在下掺杂层(011)、上掺杂层(013) 各自的内部嵌有设定图形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)， 其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合 多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为1-50nm，金属 层(014)到有源区(012)的距离限定为0-50nm。
4、 所述的设定图形为含有通孔的平板，孔的直径大小限定为50nm-l口m，平板的厚度 限定为3-200nm。
5、 所述的设定图形为盘状，盘的直径大小限定直径为10nm-l口m，盘的厚度限定为 3-200皿。
6、 所述的设定图形为条状，条宽度的大小限定为10nni-l口m，条的厚度限定为3-200nm。
7、 所述的绝缘介质为，Si02、 Si3N4、 SiON、 A1203、 Y203、 Ti02、 TaA或Hf02的一种，在 绝缘的同时起到防止金属扩散的作用。
8、 所述的有源区为纳米晶硅，掺杂层为Si、 SiC、 Zn0或Sn02。所述的有源区为InGaN， 掺杂层为GaN。所述的有源区为Zn0，掺杂层为Zn0。
由于本发明在掺杂层中嵌入了设定图形的金属层，在保证载流子通过掺杂层注入有源 区的同时，有效的利用了金属表面等离子体对发光效率的增强效应。通过内量子效率大幅 度的提高，改善了器件的电致发光效率。另外对比单层结构，双层表面等离子波导能获得 更大的光子态密度(图13)，并且有更集中于有源区的光场分布(图14)，从而能获得更大 的Purcell增强效果(图14)，进一步改善器件性能。简单的双层金属薄层的设计，由于惨 杂层分隔了表面等离子波导和有源区，其内量子效率增强的优势在电注入器件结构上亦无 法有效发挥；而现在采用"嵌入金属层+金属薄层"(图2)，或"上嵌入金属层+下嵌入金 属层"的构造(图3)，使得高效提升内量子效率的双层电注入结构的实现成为了可能。
图1单层嵌入金属层的半导体电致发光器件的横截面
011.下掺杂层介质，012.有源区，013.上掺杂层介质，
014.嵌入掺杂层中的金属层，015.包裹在金属图形外的绝缘介质。 图2 "金属薄层+嵌入金属层"的半导体电致发光器件的横截面-
021.金属薄层。 图3双层嵌入金属层的半导体电致发光器件的横截面。 图4单层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件
11.下掺杂层介质p-SiC， 12.有源区纳米晶硅，13.上掺杂层介质Sn02，
14.含有通孔的Au颗粒层，15.包裹在含有通孔的Au颗粒层外的Si3N4，
16.下电极，17.上电极。 图5单层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件
24.盘状Au颗粒层，25.包裹在盘状Au颗粒层外的Si美。 图6单层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件
34. —维光栅状Au颗粒层，35.包裹在一维光栅状Au颗粒层外的Si3N4。 图7 "金属薄层+含有通孔的嵌入金属层"的半导体电致发光器件
21. Au薄层，26. Si02底板。 图8 "金属薄层+盘状嵌入金属层"的半导体电致发光器件。 图9 "金属薄层+—维光栅状嵌入金属层"的电致发光器件。 图io双层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件。
图11双层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件。
图12双层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件。
图13单层和双层等离子体波导光子态密度的比较
131.单层等离子体波导光子态密度，132.双层等离子体波导光子态密度。 图14单层和双层等离子体波导光场分布及Purcell系数
141.单层等离子体波导的光场分布，142.单层等离子体波导的Purcell系数 143.双层等离子体波导的光场分布，144.双层等离子体波导的Purcell系数。
具体实施例方式
本发明的关键器件结构为掺杂层中嵌入的设定图形的金属层，其中金属外部包裹有绝
缘介质。该结构的实现方法之一为首先甩上电子束胶或者光刻胶，通过电子束曝光或者 紫外曝光、显影、定影，得到胶的图形；然后依次沉积上所需厚度的绝缘介质、金属、绝 缘介质；去胶洗净后，得到与原胶图形互补的"绝缘介质-金属-绝缘介质"层图形；将样 品置于退火炉中快速退火，使得金属转化位金属颗粒，多数的金属颗粒被绝缘介质完全包 裹，但在图形的边缘尚存在未被完全包裹的金属颗粒；利用对掺杂层介质、绝缘介质腐蚀 性很弱，却能有效腐蚀金属的金属腐蚀液，去除图形边缘未被完全包裹的金属颗粒；用去 离子水清洗样品去除金属腐蚀液后，再沉积掺杂层介质，设定图形之间的空隙亦被所沉积 的掺杂层介质填补，即实现了在掺杂层中嵌入所需图形的金属层。另外图形的定义亦可以 不采用胶图形，而采用AAO(阳极氧化铝)模版或者自组织纳米小球模版等微图形模版技术。 根据不同图形定义技术以及器件设计目标，所得到的图形的分布即可以是周期的，也允许 是非周期的。金属腐蚀液的类型视掺杂层介质、绝缘介质、金属三者的具体情况合理选择， 如惨杂层为Sn02、绝缘介质为Si3N4、金属为Au时，可用KI/I2/H20的Au腐蚀液。
InGaN有源区和GaN掺杂层可以利用M0CVD (金属有机化学气相淀积)系统生长得到。 ZnO可以通过磁控溅射得到，其掺杂可以使用Al(x)Zn(l-x)靶，通过改变溅射气氛实现n 型或P型的变化，也可以通过离子注入的方法实现掺杂类型的改变。纳米晶硅可以通过PECVD (等离子增强化学气相淀积)设备得到，其掺杂层Si或者SiC已可以通过PECVD设备制备， 并实现原位的n型或p型掺杂；Zn0、 Sn02可以通过通过磁控溅射得到，由于氧空位缺失，
为n型半导体。 实施例1
单层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图4所示。
在掺杂浓度为3X10、n^的p型SiC (11)上，生长50咖的Si队纳米晶硅(12)作为 有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nm的电子束胶，进行电子 束曝光，显影，定影，剩余的胶图形为直径约为450nm的盘，按正方格子做周期性分布， 周期为630nm。用磁控溅射依次沉积15咖的Si美(15)、 5nm的Au (14)、 15nm的Si3N4 (15)。 去胶洗净后，在700摄氏度退火10分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸 泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300ran的Sn02a3)。最后制作上电极(17)和下电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小及分布、掺杂层介质和金属腐蚀液的类型做调整。
实施例2
单层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图5所示。 在掺杂浓度为3X1016cm—3的p型SiC (11)上，生长50nm的SiNx纳米晶硅(12)作为 有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nm的电子束胶，进行电子 束曝光，显影，定影，剩余的胶图形含有为直径约为150nm的孔，按正方格子做周期性分 布，周期为420nm。用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (25)、 5nm的Au (24)、 15nm的Si3N4 (25)。去胶洗净后，在700摄氏度退火10分钟。在K工/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀 液中浸泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)和下 电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。 实施例3
单层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图6所示。 在掺杂浓度为3X1016cra—3cm—3的p型SiC (11)上，生长50nm的SiN,纳米晶硅(12)作 为有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nra的电子束胶，进行电 子束曝光，显影，定影，剩余的胶图形为占空比为50%的一维周期性光栅，周期为420nm。 用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (35)、 5nm的Au (34)、 15nm的Si3N4 (35)。去胶洗净后，
在700摄氏度退火10分钟。在KI/I2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸泡lmin，洗净 后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)和下电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。
实施例4
"金属薄层+含有通孔的嵌入金属层"的半导体电致发光器件基本结构如图7所示。 在Si02底板上磁控溅射沉积20皿的Au (21)后，生长50nm的SiN,纳米晶硅(12)作 为有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nm的电子束胶，进行电 子束曝光，显影，定影，剩余的胶图形为直径约为450nm的盘，按正方格子做周期性分布， 周期为630nm。用磁控溅射依次沉积15咖的Si3N4 (15)、 5nm的Au(14)、 15nm的Si3N4 (15)。 去胶洗净后，在700摄氏度退火IO分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸 泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。 实施例5
"金属薄层+盘状嵌入金属层"的半导体电致发光器件的基本结构如图8所示。 在Si02底板上磁控溅射沉积20nm的Au (21)后，生长50nm的SiNj内米晶硅(12)作 为有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nm的电子束胶，进行电 子束曝光，显影，定影，剩余的胶图形含有为直径约为150nm的孔，按正方格子做周期性 分布，周期为420咖。用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (25)、 5nm的Au (24)、 15nm的 Si美(25)。去胶洗净后，在700摄氏度退火10分钟。在 0 (lg/lg/200mL)的Au 腐蚀液中浸泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)。 本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。 实施例6 '
"金属薄层+—维光栅状嵌入金属层"的半导体电致发光器件的基本结构如图9所示。 在SiO2底板上磁控溅射沉积20nm的Au (21)后，生长50nm的SiN,纳米晶硅(12)作 为有源区，然后磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上厚度为300nm的电子束胶，进行电
子束曝光，显影，定影，剩余的胶图形为占空比为50%的一维周期性光栅，周期为420nra。 用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (35)、 5nm的Au (34)、 15nm的Si3N4 (35)。去胶洗净后， 在700摄氏度退火IO分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸泡lmin，洗净 后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。
实施例7
双层含有通孔的嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图10所示。
在掺杂浓度为3X10'6cm—'的p型SiC (11)上，甩上300nm的电子束胶，进行电子束曝 光，显影，定影，剩余的胶图形为直径约为450nm的盘，按正方格子做周期性分布，周期 630nm。用磁控溅射依次沉积15nm的Si美(15)、 5nm的Au (14)、 15醒的Si3N4 (15)。 去胶洗净后，在700摄氏度退火IO分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸 泡lmin，洗净后，再生长60nm的p型SiC (11)。在生长50nm的SiNj内米晶硅(12)作为 有源区后，磁控溅射沉积lOnm的Sn02 (13)。甩上300nra的电子束胶，进行电子束曝光， 显影，定影，剩余的胶图形为直径约为450nm的盘，按正方格子做周期性分布，周期为630nm。 用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (15)、 5nm的Au (14)、 15nm的Si3N4 (15)。去胶洗净后， 在700摄氏度退火10分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸泡lmin，洗净 后，再磁控溅射沉积300nm的Sn02 (13)。最后制作上电极(17)和下电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。
实施例8
双层盘状嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图11所示。 在掺杂浓度为3X1016cm—s的p型SiC (11)上，甩上300nm的电子束胶，进行电子束曝 光，显影，定影，剩余的胶图形含有为直径约为150nm的孔，按正方格子做周期性分布， 周期为420nm。用磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (25)、 5nm的Au (24)、 15nm的Si3N4 (25)。 去胶后，去胶洗净后，在700摄氏度退火IO分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200raL)的Au腐 蚀液中浸泡lmin，洗净后，再生长60nm的p型SiC(ll)。在生长50nm的Si队纳米晶硅(12) 作为有源区后，磁控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上300nm的电子束胶，进行电子束曝 光，显影，定影，剩余的胶图形含有为直径约为150rai的孔，按正方格子做周期性分布， 周期为420nm。用磁控溅射依次沉积15nm的Si凡(25)、 5nm的Au (24)、 15nm的Si3N4 (25)。 去胶洗净后，在700摄氏度退火IO分钟。在KI/l2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸 泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300nm的Sn(U13)。最后制作上电极(17)和下电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。
实施例9
双层一维光栅状嵌入金属层的半导体电致发光器件基本结构如图12所示。 在掺杂浓度为3X10Wc^!cn^的p型SiC (11)上，甩上300nm的电子束胶，进行电子 束曝光，显影，定影，剩余的胶图形为占空比为50%的一维周期性光栅，周期为420nra。用 磁控溅射依次沉积15nm的Si3N4 (35)、 5nm的Au (34)、 15nm的Si3N4 (35)。去胶洗净后， 在700摄氏度退火10分钟。在KI/I2/H20 (lg/lg/200mL)的Au腐蚀液中浸泡lmin，洗净 后，再生长60nm的p型SiC (11)。在生长50nm的SiNx纳米晶硅(12)作为有源区后，磁 控溅射沉积10nm的Sn02 (13)。甩上300nm的电子束胶，进行电子束曝光，显影，定影， 剩余的胶图形为占空比为50%的一维周期性光栅，周期为420mn。用磁控溅射依次沉积15nm 的S:UN4 (35)、 5nm的Au (34)、 15nm的Si3N4 (35)。去胶洗净后，在700摄氏度退火10分 钟。在KI/I2/H20 (lg/lg/200mL)的An腐蚀液中浸泡lmin，洗净后，再磁控溅射沉积300nni 的SrA (13)。最后制作上电极(17)和下电极(16)。
本实施例中半导体材料体系亦可以换作GaN基或者ZnO基，金属可以换作Ag、 Al等。 但如果更换材料，需要对胶图形的大小、分布和金属腐蚀液的类型做调整。
权利要求
1、一种掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件，含有下掺杂层(011)，位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图形的绝缘介质(015)，在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)，其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚度限定为1-50nm，金属层(014)到有源区(012)的距离限定为0-50nm。
2、 一种掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导休电致发光器件，含有金属薄层(021)， 位于金属薄层(021)上的有源区(012)，以及位于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其 特征在于，在上掺杂层(013)内部嵌有设定图形的绝缘介质(015),在绝缘介质(015)的 内部包裹着金属层(014)，其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的一种、或是各自的合 金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗粒与薄层的组合，厚 度限定为1-50nm，金属层(014)到有源区(012)的距离限定为0-50nm。
3、 一种掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件，含有下掺杂层(011)， 位于下掺杂层(011)上的有源区(012)，以及位于有源区(012)上的上掺杂层(013)，其 特征在于，在下掺杂层(011)、上掺杂层(013)各自的内部嵌有设定图形的绝缘介质(015), 在绝缘介质(015)的内部包裹着金属层(014)，其中金属为金、银、铝、铜、钛、镍、铬的 一种、或是各自的合金、或是不同金属的复合多层构造，金属微观形态为颗粒、薄层、或颗 粒与薄层的组合，厚度限定为l-50nm，金属层(014)到有源区(012)的距离限定为0_50nm。
4、 所述的设定图形为含有通孔的平板，孔的直径大小限定为50nm-l口m，平板的厚度限 定为3-200nm。
5、 所述的设定图形为盘状，盘的直径大小限定直径为10nm-l口m，盘的厚度限定为 3-200nm。
6、 所述的设定图形为条状，条宽度的大小限定为10nm-l口m，条的厚度限定为3-200nm。
7、 所述的绝缘介质为，Si02、 Si3N4、 Si0N、 A1A、 YA、 Ti02、 TaA或Hf02的一种，在绝 缘的同时起到防止金属扩散的作用。
8、 所述的有源区为纳米晶硅，掺杂层为Si、 SiC、 ZnO、或SrA。
9、 所述的有源区为InGaN，掺杂层为GaN。
10、 所述的有源区为Zn0，掺杂层为Zn0。
全文摘要
本发明涉及一种在有源光电子器件、光电集成等领域应用的掺杂层中按设定图形嵌入金属层的半导体电致发光器件，属于集成光电子技术领域。其特征在于，在掺杂层中嵌入了外包裹有绝缘介质的金属层，分布位置由设定图形确定，而掺杂层的半导体介质则贯穿设定图形区域外的其余部分。这种设计在保证载流子通过掺杂层注入有源区的同时，有效的利用了金属表面等离子体对发光效率的增强效应。这有利于进一步提高基于在氮化镓材料的电致发光器件的效率，同时为基于氧化锌、纳米晶硅等材料的电致发光器件的实际应用提供了可能。
文档编号H01L33/00GK101170156SQ20071017849
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者选 唐, 巍 张, 彭江得, 黄翊东 申请人:清华大学