提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法

专利名称：提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法
技术领域：
本发明涉及光致发光器件及制备方法.尤其是提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光 器件发光效率的方法。二、 背景技术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。能否实现Si单片光电集成是当前材料科学和微电子学 领域中的童大研究课题，也是该学科的国际研究前沿，具有重要的基础和应用的意义。近十几年来，在众多制备硅基发光器件的方法中，可归结为3个主要途径，(1) 以多孔硅为有源层的发光器件([l] N. Koshida, etal. Appl.Phys丄ett. 60 347 (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([2] C.W. Liu, et.al,Appl.Phys丄ett . 74, 2182 (1999) )。 (3)以硅基氮化物为有源层的发光 器件([3] K.S. Cho, et.al.Appl.Phys丄ett. 86 071卯9 (2005))。目前硅基电致发光器件存在的问题主要是发光强度弱，发光效率低，稳定性差。为此，众多研究小组 不断地致力于改善硅基器件的光电性能，提高器件发光效率。当前，在众多的提高硅 基电致发光效率的方法中，可归结为3个主要途径，(1)改善器件有源层的发光特性([4] N,M. Park, et.al. Appl.Phys丄ett .78 2575 (2001) )。 (2)选用Ca/Ag、 Ni/Au 等低功函数合金金属作为器件阴极，降低金属电极与发光有源层之间的隧穿势垒，使 电子更加有效地注入到发光有源层中，提高器件的发光效率([5] L,Y. Chen, et.al. Appl.Phys丄ett . 86 193506 (2005)， B,H. Kim, et.al. Appl.Phys丄ett . 89 063509 (2006) )。 (3)改善电极与发光有源层之间的界面性质，降低接触电阻，提高载流子注 入效率，进而提高器件发光效率。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较高 的电致发光效率、高的稳定性、低的成本，且与当前微电子工艺相兼容。因而寻找一 种具有上述特征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发明的出发点。本申请人的专利申请CN200710020068.6掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管 及制备方法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 室温下生长的富氮硅基氮化物薄膜，经氧等离子体氧化形成富氮的掺氧非晶态硅基氮 化物(a-SiNx)薄膜，并以其作为有源层，制备黄绿波段发光二极管。在室温下生长的 硅基氮化物，其发光原理为在惨氧硅基氮化物薄膜存在氧诱导的Si-O-N发光中心。所 述掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，在电阻率为4 20 Qcm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lpm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。但上述利用氧等离子体源氧化在室温下生长的富氮硅基氮化物，形成富氮的掺氧 硅基氮化物，并以其作为有源层来制备电致发光器件。该发光器件在室温弱光下能肉 眼看到其发出的较强的黄绿光，并且其工作电流密度低，仅为110-130 niA/cm2，甚至 远小于目前国际上单纯采用a-SiNx作为有源层的发光器件的开启电流密度([6]R. Huang, K丄Chen，et.al. Appl.Phys丄ett. 90 093515 (2007))。尽管该器件效率较高，但 离真正的实用化仍有一定的距离，仍需进一步增强载流子的注入效率，提高其光发射 强度及发光效率。三、发明内容本发明目的是从方法和实施工艺两方面提出提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光 器件发光效率的方法尤其是在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用不同 硅氮组份比的掺氧氮化硅具有不同光学带隙原理，通过调制硅氮组份比，在低温下制 备具有较小光学带隙性质的富硅惨氧氮化硅薄膜，以其作为发光有源层来制备电致发 光器件。利用该方法能有效的降低金属电极与有源层间的遂穿势垒，增强载流子的注 入，进一步提高器件的发光效率。提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，(1) 室温生长富硅非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜 利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，在室温下，采用硅垸(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，SiH4与NH3的流量比控制 在0.5 — 1之间，以形成富硅的氮化硅薄膜，薄膜厚度60-100 nm;(2) 氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜 在衬底温度为95-105 'C的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a-SiNx薄膜，氧等离子体处理时间10-30 min;形成富硅的掺氧a-SiNx薄膜， 以这层薄膜作为器件的有源层。发光器件的电极制备及结构，采用热蒸发技术，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lpm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为圆形形状 的金属铝(A1)薄膜，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。本发明的器件电致发光特性 图2(a)和(b)示出有源层分别为掺氧的富硅氮化硅和掺氧的富氮氮化硅的发光器件 在正向偏置电压下的电致发光谱。对于掺氧的富硅氮化硅发光器件，当电压为7.5 V时， 即可启动发光，开启电压比掺氧的富氮氮化硅的发光器件小1.5V;而且其发光强度却 远远高于掺氧的富氮氮化硅的发光器件。制备富氮的掺氧氮化硅的SiH4与NH3流量分 别为8和32sccm。本发明的机理是薄膜器件的电致发光是在偏压的作用下，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。
器件的电致光发射强度及发光效率与有源层材料一金属电极之间的隧穿势垒密切相 关，降低有源层材料一金属电极之间的势垒，能有效的增强载流子的注入效率，有利 于提高器件的电致发光强度及效率。本发明通过提高掺氧非晶氮化硅发光有源层中的 硅氮组份比，制备光学带隙较小的富硅掺氧非晶氮化硅发光有源层，有效的降低了有 源层材料一金属电极之间的势垒，获得更低开启电压、更高效率、更高强度的硅基电 致发光器件。本发明技术的有益效果在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用不 同硅氮组份比的掺氧氮化硅具有不同光学带隙原理，通过调制硅氮组份比，制备具有 较小光学带隙性质的富硅掺氧氮化硅薄膜，并以其作为有源层来制备的发光器件具有 以下突出优点1. 器件开启电压更低相比于目前国际上单纯采用a-SiNx或富氮的掺氧氮化硅作 为有源层的发光器件的开启电压(9 12 V)，采用我们提出的这种技术方案研制的发光 器件开启电压仅为7.5V，降低了1.5V以上。这有助于降低器件的功耗。如图2、 3所示。2. 载流子注入效率高相比于目前采用富氮掺氧氮化硅作为有源层的发光器件， 利用本发明研制的发光器件的载流子注入效率得到很大程度的提高，相同的正向偏置电压下，载流子注入效率比富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件提高了 4倍以上。3. 发光亮度强、效率高相比于目前采用富氮掺氧氮化硅作为有源层的发光器件， 利用本发明研制的发光器件发光强度更强，功耗低，其发光效率提高3倍以上。4. 发光器件是在低温(100 'C)下研制的，相对于通常衬底温度在250 'C以上的常 规技术，这种低温制备技术不仅与目前微电子工艺相兼容，而且能极大的降低生产成 本，非常有望实现硅基单片光电集成。5. 本发明的方法也可推广用于其它半导体发光器件性能的改善。四

图l:以ITO为阳极的硅基发光器件结构图。图2:图2(a)是富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件谱图；图2(b)与富硅的掺氧氮化硅发光器件相比较的富氮的掺氧氮化硅发光器件谱图。图3:以富硅的掺氧氮化硅作为有源层及以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件的发光强度随电功率密度的变化关系。图4:以富硅的掺氧氮化硅作为有源层及以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件在正向偏置电压下的电流 一 电压特性。五具体实施方式
1、新型硅基发光器件有源层的制备(1)室温生长富硅非晶氮化硅(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ITO玻璃衬底上淀积富硅的a-SiNx薄膜。制备时的具体工艺条件如下
功率源频率 13.56 MHz功率密度0.6 W/cm2反应腔压力80 Pa衬底温度25 °C 在淀积a-SiNx薄膜时，由SiH4+NH3通过辉光分解反应而成，其中SiH4流量为8 sccm(每分钟标准立方厘米)，NH3流量为8sccm， SiH4与NH3流量比为1: 1，淀积时 间为130 s，薄膜厚度为80 nm。(2)氧等离子体源氧化室温生长的富硅的非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜在100 'C下，利用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术，用氧等离子体源氧 化室温生长的富硅的a-SiNx薄膜。具体工艺条件如下功率源频率 13.56 MHz功率密度0.6 W/cm2反应腔压力40 Pa衬底温度100 °C。2流量 27 seem氧等离子体处理时间20 min2、发光器件的电极制备及结构采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀1层1 pm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3 mm的圆斑，器件结构如图1所 示，其中以ITO为阳极的l端为光出射端。电极制备的具体工艺条件为蒸发电流3.5 A蒸发时间25 s电极厚度1从图2(a)和2(b)图可看到，在相同工作偏压下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层 的发光器件发光强度明显强于以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，即器件发 光强度增强。从图3可看到，相同的电功率密度下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层 的发光器件的发光强度比富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件增强了 3倍以上， 即电致发光效率提高了 3倍以上。图3示出有源层分别为掺氧的富硅氮化硅和掺氧的富氮氮化硅的发光器件的发光 强度与电功率密度的变化关系。在相同电功率密度条件下，掺氧的富硅氮化硅发光器 件的强度比对于掺氧的富氮氮化硅发光器件增强了 5倍以上，即对于掺氧的富硅氮化 硅发光器件的电致发光效率提高了 3倍以上。从图4可看到，相同的正向偏置电压下，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光 器件的注入效率比富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件提高了 4倍以上。从插图 可得出，以富硅的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件，其有源层与金属电极之间势垒 比相应的以富氮的掺氧氮化硅作为有源层的发光器件降低了 30%。
权利要求
1、提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其特征是1)在室温下生长富硅非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜利用等离子体增强化学汽相淀积方法，在室温下，采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气源，在ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，SiH4与NH3的流量比控制在0.5-1之间，薄膜厚度60-100nm；2)氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜在衬底温度为95-105℃的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a-SiNx薄膜，氧等离子体处理时间10-30min；形成富硅的掺氧a-SiNx薄膜，以这层薄膜作为器件的有源层。
2、 根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法， 其特征是发光器件的电极制备方法对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源 层上蒸镀一层lpm厚的金属铝)薄膜作为阴极，以ITO为阳极的一端为光出射端。
3、 根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法， 其特征是利在ITO玻璃衬底上淀积富硅的a-SiNx薄膜。制备时的具体工艺条件如下功率源频率 13.56 MHz 功率密度 0.6 W/cm2 反应腔压力80 Pa 衬底温度25 °CSiH4流量为8 sccm， NH3流量为8 sccm，淀积时间为130 s，薄膜厚度为80 nm。
4、 根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法， 其特征是氧等离子体源氧化室温生长的富硅的a-SiNx薄膜的具体条件功率源频率 13.56 MHz 功率密度 0.6 W/cm2 反应腔压力40 Pa 衬底温度100 °C 02流量 27sccm 氧等离子体处理时间20 min。
5、 根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法， 其特征是发光器件的电极制备是采用热蒸发技术，对于以ITO为阳极的硅基发光器件， 直接在有源层上蒸镀1层1 pm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3 mm 的圆斑，器件结构如图l所示，其中以ITO为阳极的l端为光出射端。
6、 根据权利要求1所述的提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法， 其特征是电极制备的具体工艺条件为蒸发电流3.5A，蒸发时间25s，电极厚度lMm。
全文摘要
提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，其步骤是1)在室温下生长富硅非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜利用等离子体增强化学汽相淀积方法，在室温下，采用硅烷(SiH₄)和氨气(NH₃)作为反应气源，在ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，SiH₄与NH₃的流量比控制在0.5-1之间，薄膜厚度60-100nm；2)氧等离子体源氧化以形成富硅的掺氧非晶氮化硅(a-SiNx)薄膜在衬底温度为95-105℃的条件下，利用PECVD技术，用氧等离子体源氧化室温生长的a-SiNx薄膜，氧等离子体处理时间10-30min；形成富硅的掺氧a-SiNx薄膜，以这层薄膜作为器件的有源层。
文档编号H01L33/00GK101132042SQ20071013214
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者岭 徐, 骏 徐, 伟 李, 王旦清, 董恒平, 陈坤基, 马忠元, 锐 黄, 黄信凡 申请人:南京大学