一种硅基金属微腔电致发光器件及制备方法
【专利摘要】一种硅基金属微腔电致发光器件，自上至下为半透明金属反射镜，有源层，ITO电极，2-8个周期底部DBR、每周期厚度为共振光波长的二分之一，金属薄膜，石英基底；以SiC材料作为有源层，厚度为共振波长的1/2，半透明金属反射镜作为微腔的一面反射镜和出光面。制备方法的步骤：利用等离子体增强化学气相沉积技术，在用硅烷和甲烷作为反应起源，在石英衬底上交替生长具有两种不同组分的SiC薄膜，构成全SiC材料的DBR结构；这两种组分的SiC薄膜淀积时的流量比R=CH4/SiH4分别是1和10；在DBR结构上制备有源层，仍采用流量比R=10的SiC薄膜。本发明采用较少周期的DBR达到同样反射效果，增强方法的可操作性，重复性。
【专利说明】一种硅基金属微腔电致发光器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电子器件【技术领域】。涉及电致发光器件，尤其是硅基金属微腔电致发光器件及制备方法。
【背景技术】
[0002]硅(Si)基光源是实现硅基单片光电集成，即满足当今信息技术对高速、大容量的迫切要求，利用光信号完成片上各单元间的信息传递的最关键的部件。但遗憾的是，硅基光源的实现一直是一个极具挑战性的难题。由于晶体硅是间接带隙半导体，其发光效率非常低下，内量子效率仅为10_6。为了实现硅基材料的高效发光，特别是电致发光，硅纳米低维结构(量子阱、量子线、量子点)及结合各种途径(表面粗糙化、表面等离激元共振、光学微腔)可以用来提高其发光效率。其中利用硅基微腔来调节薄膜的发光行为一直是近年来研究的热点和重点[1-3]。
[0003]光学微腔可以用来有效控制腔中电偶极子的自发辐射速率，调制腔中光场的模式密度分布，保证共振条件的光模式得到加强，而抑制非共振条件的光模式，使发射光谱窄化。最简单的微腔结构是一维的Fabry-Perot共振腔,构成Fabry-Perot共振腔的反射镜可以采用分布式介质Bragg反射镜(DBR),而有源层则夹在两个介质反射镜之间。介质DBR相当于一维光子晶体，为两种折射率不同材料交替生长的多层膜，每一层的厚度都为光波长的四分之一，这种周期结构具有光子带隙，对相应波长的光子起到了镜面反射的作用。这一结构另外一个突出的优点为介质反射镜对于红外，可见光，甚至是紫外光都具有非常小的吸收，这对微腔共振光出射是极为有利的。
[0004]如何在硅基发光材料中实现共振腔的电致发光是人们一直关注的课题。硅基光学微腔结构，由于采用硅的化合物(如SiO2, SiNx)形成高反射率的DBR结构，电注入很困难。所以目前报道的平面微腔、微盘、微环式微腔都是仅限于光泵浦来激发[1-3]。而要实现一种高效率电泵浦微腔发光，就必须对结构进行仔细的设计。德国的研究小组采用PN电流注入结构，纵向光学选模的方式制备了电致发光二极管(LED)，其品质因子达到了 143[4]。而美国特拉华大学则采用纵向电流注入方式将电极加在纳米硅有源层两面，形成电接触，所制备的共振腔LED的品质因子只有42，量子效率仅为10_6[5]。最近，C.K.Tseng等人[6]制备了一种混合结构的一维光学微腔。底部采用Si/Si02多层膜的DBR结构，出光面为半透明Au膜，夹在两反射镜中间的有源层为镶嵌在SiO2中的纳米硅薄膜。为了实现电致发光，他们在有源层与DBR界面处插入了 η型多晶硅作为导电层。电致发光测试表明650nm处为共振腔的发光模式，谱线的半高宽收缩为没有共振腔时的八分之一，发光强度比没有共振腔时提高了 4倍。他们还研究了不同的有源层厚度(共振腔的长度)，金属的厚度对共振波长与强度的关系。他们的工作表明在对硅基微腔电致发光器件进行设计时，不仅要考虑电极所处的位置，还要考虑金属所导致的共振腔选模时相位的变化，否则很难达到预期的效果[7]。
[0005]参考文献:[0006][I]K.J.Vahala, Nature424 (2003) 839
[0007][2]X.Qiu, X.Tan, Z.Wang, et al.J.Appl.Phys.100 (2006) 074503
[0008][3] J.Jasieniak, C.Sada, A.Chiasera, et al.Adv.Funct.Mater.18 (2008) 3772
[0009][4] J.Potfajova, B.Schmidt, M.Helm, et al.Appl.Phys.Lett.96 (2010) 151113
[0010][5]T.Creazzo, B.Redding, E.Marchena, et al.Thin Solid Films518 (2010) 4394
[0011][6]C.-K.Tseng, M._C.M.Lee, H.-ff.Hung, et al.J.Appl.Phys.1ll (2012) 074512
[0012][7]H.Becker, S.Burns, N.Tessler, et al.J.Appl.Phys.81 (1997) 2825
【发明内容】
[0013]本发明的目的是:提出一种电致发光器件，尤其是一种硅基金属微腔电致发光器件及制备方法，通过底部反射面为金属/DBR的混合结构，可以采用较少周期的DBR达到同样的反射效果，增强实验的可操作性，重复性。通过在底部DBR与有源层之间插入ITO薄膜作为电极，增加电注入导电性，同时其厚度的变化可以用来调节共振波长。
[0014]本发明的技术方案是:硅基金属微腔电致发光器件，自上至下为半透明金属反射镜、有源层、ΙΤ0、底部DBR为2-8个周期，每周期光学厚度为共振波长的二分之一，金属薄膜，石英基底；以SiC材料作为有源层，厚度为共振波长的1/2，半透明金属反射镜作为微腔的一面反射镜和出光面；
[0015]尤其是底部DBR与石英基底之间设有金属薄膜来增加其反射率；此反射镜则为硅基材料构成的分布布拉格反射器(DBR)和金属的混合结构。这种DBR+金属膜反射的混合结构在DBR较小的周期数(2 - 8)的情况下也具有很高的反射率。
[0016]本发明尤其是DBR的周期数设定为2-8。在底部DBR与有源层之间插入ITO薄膜作为电极
[0017]本发明硅基金属微腔电致发光器件制备，主要包含以下步骤:
[0018]第一步骤:在石英衬底上制备金属/有源层/DBR的共振腔结构
[0019]a)先利用等离子体增强化学气相沉积技术制备DBR，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作为反应起源，在石英衬底上交替生长具有两种不同组分的SiC薄膜，构成全SiC材料的DBR结构(2-8个周期，如5-6个周期)；这两种组分的SiC薄膜的光学厚度都为共振波长的1/4，淀积时的流量比R=CH4/SiH4分别是I和10 ;
[0020]b)在DBR结构上，紧接着制备有源层，有源层仍采用流量比R=IO的SiC薄膜，厚度为共振波长的1/2 ；
[0021]c)利用电子束蒸镀Ag膜，厚度为30、40、60nm，整个制备过程后，出光为半透明Ag膜面的金属/有源层/DBR的共振腔结构；
[0022]d)测试该结构的共振发光特性。
[0023]第二步骤:在石英衬底上制备金属/DBR结构的反射镜
[0024]3)利用电子束蒸镀Ag膜，厚度为40nm，反射率大约为92% ；
[0025]4)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作为反应起源，在石英衬底上交替生长具有两种不同组分的SiC薄膜，构成全SiC材料的DBR结构(可以仅2个周期，更好的如5-6个周期)。这两种组分的SiC薄膜淀积时的流量比R=CH4/SiH4分别是I和10 ;[0026]5)测试该结构(Ag/DBR)作为反射镜的反射率。
[0027]第三步骤:设计本发明的器件结构，并模拟理论结果
[0028]1-1、根据上述前两步骤的实验和模拟结果，设计硅基金属微腔的电注入器件结构；
[0029]1-2、理论模拟本发明共振光波特性，指导实验制备。
[0030]本发明设计了一种电致发光器件，硅基材料作为有源层，半透明金属作为微腔的一面反射镜和出光面，而另一面反射镜则为娃基材料构成的分布布拉格反射器(DBR)和金属的混合结构。这种DBR+金属的混合结构在DBR的周期数很少(〈4)情况下也具有很高的反射率，这使得制备过程和成本大大降低。整个结构不仅可以作为硅基材料及其它(有机或无机)发光材料的电致发光器件，而且也可以作为硅芯片为基底的光互联通讯元件、生物、化学传感器。金属微腔结构在这些器件的显色纯度要求较高和探测灵敏度方面要求较高时具有重要的意义与应用价值。本发明涉及的金属/有源层/DBR/金属的微腔结构为首次提出，不同与以往的金属/有源层/DBR的结构；本发明的重点是设计了(I)、底部反射面为金属/DBR的混合结构，这样可以采用较少周期的DBR达到同样的反射效果，增强实验的可操作性，重复性。(2)、顶部选择可见光波长吸收较小的半透明金属银(Ag)则为微腔的另一个反射面，同时Ag也可以作为电致发光器件的电极。(3)、在底部DBR与有源层之间插入ITO薄膜作为电极，增加电注入导电性，同时其厚度的变化可以用来调节共振波长。采用理论模拟与实验结合的方法，获得微腔中各薄膜子层的结构参数最优值，从而实现和提高这种电致发光器件的发光效率与生物化学探测灵敏度。
[0031]本发明涉及微腔的光电特性，在共振腔波长的选择上必须精确计算金属、有源层、DBR等各子层的相位变化，同时对电注入的电极层位置和厚度也要进行合理的设计。首先采用模拟软件计算了这种硅基金属微腔的共振模式随各参数(金属与介质层的相位匹配、厚度和周期数)的变化关系。同时制备了相应的具有混合结构的一维光学微腔。研究表明，这种混合结构微腔可以增强有源层SiC材料的发光效率，实验结果与理论模拟基本一致。接着，本发明研究了 DBR/金属的结构，可见其作为微腔的一面反射镜，发现其在DBR周期数较少时(2个周期)也可以获得很闻的反射率(98%),从而有可能提闻有源层的光出射效率。最后设计了相应的微腔电致发光器件结构，希望获得较高品质因子的高效电致发光出射。
[0032]本发明的有益效果是:1)首次将金属/DBR的结构作为反射镜应用到微腔中，使得DBR的周期数大大减少，降低了成本，增加了实验的可操作性、重复性。2)通过控制半透明金属和导电接触层ITO的厚度，可以很方便的调节该发明结构的共振波长和强度。3)整个制备过程操作简单，化学气相淀积、电子束蒸发等技术都已成熟，并与微电子工业技术相兼容，有利于大规模生产，且便于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明涉及的步骤一中的碳化硅DBR (六个周期)的透射光谱。理论设计共振波长为700nm，光子带隙为620_780nm，实验结果(实线)与理论(三角点线)值吻合的很好。可见PECVD系统可以很好的控制DBR各子层厚度及界面陡峭性。
[0034]图2为本发明涉及的步骤一中的金属Ag/SiC有源层/DBR结构的光致发光谱。相比较有源层较弱的发光和很宽的发光带，微腔的发光强度大大增强，且谱线的半高宽(FWHM)仅为20nm，可见微腔效应非常明显。实验的共振波长692nm与设计的700nm差别不大。
[0035]图3为本发明涉及的步骤一中的顶面具有不同厚度Ag的共振腔的光致发光谱。由于不同金属厚度产生不一样的相位差，微腔共振波长会有相应的移动。由图中可见，随着金属Ag厚度的增加，共振波长不断向短波方向移动，且发光强度也有相应的变化。在Ag为40nm时，共振腔效应最明显，这些都与理论计算结果一致。所以，可以通过金属反射镜的厚度很方便得调节共振光模的强度与峰位。
[0036]图4为本发明涉及的步骤二中金属/DBR构成的反射镜的反射光谱。该结构可以大大增强其反射率(99%)，而单纯的四个周期的DBR反射率仅为94%。这种结构的反射镜可以在DBR较少的情况下也能达到较高的反射率，使得制备过程简单化，可操作性增强，降低了成本。
[0037]图5为本发明涉及的步骤三中的利用DBR/金属的结构和半透明金属构成微腔两端的反射镜，同时在有源层与底部DBR之间插入导电介质层(ITO)就可以设计硅基微腔电注入发光器件。底部DBR下面加入一薄金属层，由于提高了底部反射镜的反射率，模拟所得的共振光波的品质将提高很多，如半高宽FWHM减为没有薄金属层是的三分之一。其中图
5利用DBR/金属的结构和半透明金属构成微腔两端的反射镜，同时在有源层与底部DBR之间插入导电介质层(ITO)就可以设计硅基微腔电注入发光器件。底部DBR下面加入一薄金属层，由于提高了底部反射镜的反射率，模拟所得的共振光波的品质将提高很多，如半高宽FWHM减为没有薄金属层是的三分之一。图5为器件的波长与透射率的曲线。
【具体实施方式】
[0038](一)、制备金属Ag/SiC有源层/DBR结构:
[0039]利用平板电容型射频等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术在石英、单晶硅衬底上制备金属Ag/SiC有源层/DBR结构。
[0040]1.淀积氢化非晶碳化硅DBR多层膜
[0041]薄膜淀积在Si衬底或者石英衬底上，反应气体采用甲烷(CH4)和硅烷(SiH4)的混合气体。当淀积R=I的SiC子层时，R为气体流量比(R=SiH4/CH4) SiH4流量为5sccm，CH4流量为5sccm，当淀积R=IO的SiC子层时，SiH4流量为5sccm，CH4流量为50sccm，两个子层交替生长6.5个周期，得到SiC DBR多层结构。每个子层的光学厚度为共振腔中心波长700nm的四分之一。
[0042]具体工艺条件如下:
[0043]
功率源频率: 13.56 MHz
[0044]
【权利要求】
1.硅基金属微腔电致发光器件，其特征是结构为，自上至下为半透明金属反射镜，有源层，ITO电极，2-8个周期底部DBR、每周期厚度为共振光波长的二分之一，金属薄膜，石英基底；以SiC材料作为有源层，厚度为共振波长的1/2，半透明金属反射镜作为微腔的一面反射镜和出光面。
2.根据权利要求1所述的硅基金属微腔电致发光器件，其特征是硅基金属微腔电致发光器件，其特征是底部DBR石英或硅基底之间设有金属反射镜；DBR的周期数设定5-6。
3.硅基金属微腔电致发光器件制备方法，其特征是在石英衬底上制备金属/有源层/DBR的共振腔结构的步骤: 1)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作为反应起源，在石英衬底上交替生长具有两种不同组分的SiC薄膜，构成全SiC材料的DBR结构(2-8个周期)；这两种组分的SiC薄膜淀积时的流量比R=CH4/SiH4分别是I和10 ; 2)在DBR结构上，紧接着制备有源层，有源层仍采用流量比R=IO的SiC薄膜，厚度为共振波长的1/2 ； 3)利用电子束蒸镀Ag膜，厚度为30、40、60nm，整个制备过程后，出光为半透明Ag膜面的金属/有源层/DBR的共振腔结构。
4.根据权利要求3所述的硅基金属微腔电致发光器件制备方法，其特征是在石英衬底上制备Ag/DBR结构的反射镜； 1)利用电子束蒸镀Ag膜，厚度为40nm，反射率为92%； 2)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在用硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)作为反应起源，在石英衬底Ag膜上交替生长具有两种不同组分的SiC薄膜，构成全SiC材料的DBR结构(仅4个周期)。这两种组分的SiC薄膜淀积时的流量比R=CH4/SiH4分别是I和10。
【文档编号】H01L33/00GK103633212SQ201310524210
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】芮云军, 徐骏, 曹蕴清, 陆鹏, 李伟, 陈坤基 申请人:南京大学