专利名称：一种增强硅基二氧化钛器件的电致发光的方法
技术领域：
本发明涉及一种电致发光方法，具体为一种增强硅基二氧化钛器件的 电致发光的方法。
背景技术：
Ti02是间接禁带半导体，因此室温带边发光的效率非常低。尽管如此， 由于Ti02存在由缺陷态引起的发光中心，它在可见光区域显示了良好的 发光性能。已有研究者实现了 Ti02的电致发光(Y. Nakato, A. Tsumum and H, Tsubomura, J. Phys. Chem 87(1983)2402, R. K6nenkamp, R. C. Word and M. Godinez， Nanotechnology 17(2006) 1858 ),本发明人也通过热氧化的方 法制备了 1102// +^异质结，获得了 Ti02的可见电致发光(Y,Y. Zhang, X. Y. Ma， P. L. Chen, D. S. Li and D. R. Yang, Appl. Phys, Lett. 94(2009)061115 )。如何进一步提高Ti02的电致发光强度是值得研究的课 题。研究表明，Ti〇2的缺陷发光主要来自于氧空位，因此提高1102的电 致发光强度的关键就是提高Ti02中氧空位的浓度。而通过掺杂、缺氧反 应和等离子体处理等方法可以提高氧空位浓度(S. U. M. Khan, M. Al-Shahry, and W. B. J. Ingler, Science 297(2002)2243, H. Shima， N. Zhong, and H. Akinaga， Appl. Phys. Lett. 94(2009)082905, D. Kan, T. Terashima, R. Kanda， A. Masuno, K. Tanka, S, Chu, H. Kan, A. Ishizumi， Y. Kanemitsu, Y. Shimakawa， and M. Takano， Nat. Mater, 4(2005)816 ),其中等离子体处理方 法相对比较简单。
发明内容
本发明提供一种筒单的增强硅基二氧化钛器件的电致发光的方法，利 用等离子体增强化学气相沉积设备对Ti02进行Ar等离子处理。
一种增强硅基二氧化钛器件的电致发光的方法，包括以下步骤
1 )将电阻率为0.005-50欧姆.厘米的P型或N型硅片清洗后，在硅衬底上制备Ti02薄膜；在硅衬底上制备Ti02薄膜可利用常规的、减射、热 氧化、蒸发或者溶胶-凝胶等方法；
2) 将Ti02薄膜放入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室中，反 应室真空度抽至5 x l(T3 Pa,通入Ar气，在10Pa~ 80Pa压强下，衬底温 度为100。C 400。C，进行Ar等离子处理，功率为20w~ 70w，时间为0.5h ~ 3h;
3) 在Ti02薄膜上溅射透明ITO (Indium Tin-Oxide铟锡氧化物)电 极，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。
Ti02的电致发光是由氧空位引起的，而Ar等离子体处理可以使氧空 位浓度增高，所以经等离子体处理后Ti02的电致发光增强。
本发明可以通过调节Ar气的压强来调节Ar等离子体的浓度，调节功 率来调节Ar气的离化程度，调节衬底温度和处理时间来调节Ar等离子体 和Ti02薄膜的反应程度。
Ar气的压强越大，即反应室中的Ar气越多，则Ar等离子体的浓度 越高。Ti02与Ar气的作用可以用如下反应方程式表示
A +e—■ ( 1 )
2
反应式(1)表示Ar气经等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备可 以反应生成氩等离子体Ar+,功率越大，则反应(l)越容易，即Ar+越多。 而Ar+可以与Ti02晶格中的氧(Oo)反应生成氧空位(VO)。反应(2) 需要外界提供能量，而衬底温度越高，则提供的能量越高，即更容易生成 氧空位。作用时间越长，则说明反应(2)反应时间越长，则氧空位也越 多。
作为优选步骤2)中压强为20Pa 30Pa,衬底温度为300。C ~ 400°C, 功率为50w 55w，时间为lh 1.5h。在这个范围内的经过Ar等离子体处 理的Ti02薄膜致密度及均匀性最好，生成的氧空位浓度也较高。因为如 杲压强过小，则反应的Ar离子浓度较低，不利于生成氧空位；而如果过 高，则会使Ar离子的平均自由程减小，只有小部分的Ar离子才能到达薄 膜表面参与反应。衬底温度如果过低，则Ar离子与Ti02晶格中的氧原子 不容易发生反应；如果温度过高，则Ti02容易转变成金红石相。功率如 果过低，则离化的Ar离子数目少；如果功率过高，则容易对Ti02薄膜刻蚀，使薄膜质量下降。因为反应(2)是可逆反应，所以达到一定时间后，
反应不再进行。所以处理时间应该恰当(lh 1.5h),不应过短或过长。
本发明的优点在于器件的结构和增强方式简单，并且所用的设备与 现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
图1是硅基二氧化钛器件的示意图2是实施例1未经处理和经Ar等离子处理的硅基二氧化钛器件的 电致发光图3是实施例1与实施例2的硅基二氧化钛器件在相同电流下测得的 室温电致发光谱。
具体实施例方式
参照图1， 一种硅基二氧化钛器件，在硅衬底1的正面自下而上依次 是Ti02薄膜2、和透明ITO电极3,在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极4。
实施例1
采取如下工艺步骤1)清洗P型〈100,电阻率为0.001欧姆'厘米、 大小为15xl5mm2、厚度为675微米的硅片，清洗后放入直流反应磁控溅 射装置的反应室中，反应室真空度抽至5xl(^Pa;在硅片上利用反应直流 溅射的方法沉积厚度约为150nm的Ti膜，在溅射时，采用Ti金属靶、衬 底温度150。C、溅射功率70w、通以Ar(流量为30sccm )、工作压强为0.8Pa; 2 )将沉积在硅衬底上的Ti膜在02气氛下500。C热处理5h; 3 )将Ti02 薄膜放入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室中，反应室真空度抽至 5xl(T3 Pa;通入Ar气(流量为30sccm )，对Ti02薄膜进行Ar等离子体处 理；工作压强为20Pa、衬底温度为300。C、功率为50w、处理时间为lh; 4)在Ti02薄膜上賊射50nm厚的ITO电极，在硅背面沉积100nm厚的 Al，两者的面积均为10xl0mm2。
图2给出了未经处理和经过Ar等离体处理的硅基二氧化钛器件在相 同电流下测得的室温电致发光(EL)谱，此时Ti02薄膜接负，Si衬底接正。其中虚线是未经处理的硅基二氧化钛器件的发光图，实线是经Ar等 离子体处理的硅基二氧化钛器件的发光图。从图中可以看出，在相同的外 加电流下，经Ar等离子体处理后，硅基二氧化钛器件的电致发光强度增强。
实施例2
采取如下工艺步骤1)清洗N型〈00，电阻率为0.05欧姆.厘米、 大小为15xl5mm2、厚度为675微米的硅片，清洗后放入电子束蒸发装置 的反应室中，反应室真空度抽至5xl(T3Pa;在硅片上利用蒸发的方法沉积 厚度约为200nm的1102薄膜，在蒸发时，采用Ti02耙材、衬底200°C、 电子束电压为8kv、电流为0.7A、蒸发速率为0.1nm/s; 2)将Ti02薄膜放 入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室中，反应室真空度抽至5xl(T3 Pa;通入Ar气(流量为30sccm )，对Ti〇2薄膜进行Ar等离子体处理；工 作压强为40Pa、衬底温度为200。C、功率为30w、处理时间为2h; 3)在 Ti02薄膜上溅射50nm厚的ITO电极，在^i背面沉积100nm厚的Au,两 者的面积均为10xl0mm2。
图3给出了实施例1与实施例2在相同电流50mA下测得的室温EL 谱。其中实线是实施例1的发光曲线，虚线是实施例2的发光曲线。可以 看到，在相同电流下，实施例1的发光要比例2的发光强。
实施例3
采取如下工艺步骤1)清洗P型〈100,电阻率为50欧姆.厘米、大 小为15xl5mm2、厚度为675微米的硅片，采用摩尔比为钛酸丁酯 (Ti(OBu)4):乙醇(EtOH ) :H20 = 1:8:2的前驱体溶液，并加入适量的HC1 作为催化剂，利用溶胶-凝胶方法在硅衬底上旋涂沉积厚度约为150 nm 的Ti02薄膜，旋涂后在100。C下烘干10分钟，然后在500°C于氧气下热 处理2小时2 )将Ti02薄膜放入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室 中，反应室真空度抽至5xlCT3 Pa;通入Ar气(流量为30sccm),对Ti〇2 薄膜进行Ar等离子体处理；工作压强为50Pa、衬底温度为400。C、功率 为20w、处理时间为lh; 3)在TiO2薄膜上溅射50nm厚的ITO电极，在 硅背面沉积100nm厚的Al,两者的面积均为10x 10mm2 。
权利要求
1、一种增强硅基二氧化钛器件的电致发光的方法，包括以下步骤1)将清洗后的电阻率为0.005-50欧姆·厘米的P型或N型硅作为硅衬底，在硅衬底上制备TiO2薄膜；2)将覆有TiO2薄膜的硅衬底放入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室中，反应室真空度抽至5×10-3Pa，通入Ar气，在10Pa～80Pa压强下，衬底温度为100℃～400℃，对TiO2薄膜进行Ar等离子处理，功率为20w～70w，时间为0.5h～3h；3)在经过Ar等离子处理后的TiO2薄膜上溅射透明ITO电极，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中压强为20Pa~ 30Pa,衬底温度为300。C 400。C,功率为50w 55w,时间为lh 1.5h。
全文摘要
本发明公开了一种增强硅基二氧化钛器件的电致发光的方法，该方法是通过在硅衬底上利用溅射、热氧化、蒸发或者溶胶-凝胶等方法制备TiO<sub>2</sub>薄膜，然后利用等离子体增强化学气相沉积设备对TiO<sub>2</sub>薄膜进行Ar等离子体处理，再在TiO<sub>2</sub>薄膜上沉积透明ITO电极，最后在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。本发明提出的增强方式简单，所用的设备与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
文档编号H01L33/00GK101587931SQ20091009955
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者杨德仁, 章圆圆, 阙端麟, 陈培良, 马向阳 申请人:浙江大学