专利名称：硅基光发射器件及其制备方法
技术领域：
本发明特别涉及一种硅基光发射器件及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术：
硅材料中实现光增益乃至激光一直是微电子行业所密切关注并想努力实现的目标。从htel公司研发的利用Raman效应的硅激光器到布朗大学在SOI片上引入A中心缺陷观察到的激射行为，许多科研机构都在致力于硅基光源及激光的研究。但由于硅材料本身的间接带隙结构，其发光效率相对来说仍比较低。目前大多数的半导体发光器件由非硅基材料制成，这与现在成熟的硅工艺不相兼容。公开号CN101667619A的发明专利提出了一种提高纳米硅/ 二氧化硅发光器件发光强度的方法，其以聚苯乙烯小球为掩模，对硅衬底表面进行等离子体刻蚀；在纳米硅衬底的硅锥结构表面淀积多层A-Si:H/Si02薄膜；再放入退火炉内，先后完成脱氢退火、快速热退火和稳态高温退火，得到预定周期的NC-Si/Si02薄膜。该发明专利意图以阵列式的硅锥粗糙表面增强场发射效应，但由于聚苯乙烯微球的抗刻蚀能力不强，且采用了等离子体刻蚀，故因而获得的硅锥长度有很大限制，无法很好地约束光的横向散射，进而使得载流子的注入效率和器件的光提取效率仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种硅基光发射器及其制备方法， 其通过利用光子晶体纳米柱阵列和硅纳米晶量子点结构来共同提高硅基器件发光强度，实现光发射效率的提升。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案
一种硅基光发射器件，包括硅衬底，其特征在于，所述硅衬底正面经刻蚀形成纳米柱光子晶体阵列，所述纳米柱光子晶体阵列上共形沉积含有硅纳米晶量子点结构的薄膜层，所述薄膜层上覆盖透明共形电极，所述硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。优选的，所述硅衬底采用电阻率为0.004 0.005 Ω · cm的B重掺杂P型硅片。所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0. 8 3Mm，直径为100 500nm，且相邻两纳米柱中心距离为300nm 1. 5Mm。所述薄膜层为含有硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50 300nm。所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200 500nm。所述欧姆接触电极厚度为200 lOOOnm，同时，所述欧姆接触电极材料至少选用铝、铜、银、金和钼中的任意一种或其中任意两种及其以上的合金。如上所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，该方法为
I、在经清洗后的硅衬底正面自组装形成二维有序SW2纳米微球单层胶体层；
3II、利用微球掩膜刻蚀技术，通过深反应离子刻蚀获得硅纳米柱光子晶体阵列；
III、依次在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层和透明共形电极，并在硅衬底背面上沉积欧姆接触电极，获得目标产品。进一步的，步骤I中采用<100>，电阻率为0.004 0.005 Ω · cm的B重掺杂的P 型硅片作为衬底，并以提拉法在衬底正面自组装形成二维有序SiO2纳米微球单层胶体层。所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0. 8 3Mm，直径为100 500nm，且相邻两纳米柱中心距离为300nm 1. 5Mm。步骤II中采用利用PECVD或LPCVD工艺及后续退火工艺在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层，所述薄膜层为富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50 300nm。所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200 500nm。所述欧姆接触电极至少由铝、铜、银、金和钼中的任意一种金属或其中任意两种及其以上的合金组成，其厚度200 lOOOnm。本发明使用SW2纳米微球做掩模，其抗刻蚀能力比现有聚苯乙烯微球有很大提高，使用的刻蚀工艺是深反应离子刻蚀工艺，特别是优化后的BOSCH工艺，这些工艺设计可获得长度更长的硅纳米柱阵列，从而能更好地约束光在横向的散射，更大限度地提高垂直方向的光提取效率；且纳米硅柱与共形薄膜之间有更大的接触面积，这同时也大大地提高了载流子的注入效率。更具体讲，本发明将光子晶体纳米柱阵列和硅纳米晶量子点结构于硅基发光器件中有机结合，通过硅纳米柱光子晶体阵列既调制了光传播方向，增大了光提取效率，同时其较大的接触面积又使得电子-空穴的注入效率得以大幅提高，且伴随着中间层硅纳米晶量子点所提供的复合能级共同增大载流子的辐射复合效率，从而增大了光辐射效率。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点
1.本发明将光子晶体纳米柱阵列和硅纳米晶量子点结构两者有机结合起来，能在原来基础上大大增加载流子的注入效率和光提取效率，从而显著增大光发射效率。2.本发明前序实验中利用纳米微球掩模刻蚀技术获得的硅纳米柱阵列的方法，取代了纳米级别所需的昂贵的电子束光刻手段，极大地降低了实验及生产成本，这对产品的产业化应用是一个巨大优势。3.本发明能利用与现代CM0S、MEMS等半导体工艺相兼容的手段制备大面积、少缺陷的二维有序光子晶体纳米阵列，便于产品的规模化生产和成品率的提高，便于产品的产业化链接及推广。4.本发明工序简单易行，可行性、操作性和可重复性很强，可对传统相关产业产生示范作用，推动产业升级。本发明对硅基激光器的研制以及光与物质相互作用的研究等领域具有借鉴和应用研究意义，且在硅基单片光电互联和全光互联应用中也具有重要意义。
图1是本发明一较佳实施例中新型硅基光发射器件的结构示意图； 图h、2b、2c和2d均是本发明一较佳实施例中自组装形成的大面积、少缺陷的二维有序S^2纳米微球单层胶体层的扫描电子显微镜照片，其中S^2微球直径为500nm ；图3a、3b、3c和3d分别是本发明一较佳实施例中刻蚀获得的硅纳米柱光子晶体有序阵列的扫描电子显微镜照片(包括未去纳米微球(图3a、3b)和已去纳米微球(图3c、3d)的电镜照片)，其中纳米柱高约1. 5 2Mm，直径约300 350nm。
具体实施例方式针对现有硅基发光器件的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，提出了本发明的技术方案，其通过在重掺杂的P型硅衬底的正表面干法刻蚀获得有序排列的纳米柱光子晶体阵列，并在此阵列上面共形沉积并退火获得含有硅纳米晶量子点结构的薄膜层，然后在薄膜上形成透明共形电极，并在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极，从而获得了新型硅基光发射器件。优选的，前述纳米柱尺寸为高0. 8 3Mm，直径100 500nm，相邻两纳米柱中心距离为 300nm 1. 5Mm ；
前述薄膜层的厚度为50 300nm，其可为富硅氧化硅、氮化硅、碳化硅薄膜等，但不限于此。前述透明电极的厚度为200 500nm，其可为氧化铟锡(ITO)或有机导电薄膜(如 P3HT薄膜)，但不限于此。前述硅衬底背面欧姆接触电极可由或铝(Al)、或铜(Cu)、或银(Ag)、或金(Au)、或钼(Pt)等金属制成，也可以由多种金属材料共同制成，例如表面镀银的铜电极、或铜镍、铝镍、铬金电极等，其厚度为200 lOOOnm。前述硅基光发射器件的制备方法可包括如下工艺步骤
(1)对<100>，电阻率为0.004 0.005Ω· cm的重掺杂(如，B重掺杂)的P型硅片进行清洗；
(2)通过提拉法利用微球自组装形成大面积少缺陷二维有序S^2纳米微球单层胶体
层；
(3)利用微球掩膜刻蚀技术，通过深反应离子刻蚀获得硅纳米柱光子晶体阵列；
(4)利用PECVD或LPCVD和后续退火工艺共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层；
(5)透明电极的共形生长；
(6)硅基底背欧姆电极的沉积。上述的提拉法类似于LB膜法，可以通过调节SW2微球的粒径、质量、微球悬浊液的浓度和提拉速度获得所需的有序排列的单层纳米微球胶体层。比如，优选的方案是，以直径为150nm 750nm的SW2纳米微球均勻分散在乙醇/水中，形成1% 10% (V%)悬浊液； 提拉法的条件是提拉速度2 50Mm/s ；提拉温度室温；提拉湿度30% 50%。上述的深反应离子刻蚀，优选在功率源频率为13. 56MHz，基底温度为_3 0°C的 STS深反应离子刻蚀机中进行，它以C4F8、SF6, O2为刻蚀气源，通过调节刻蚀模式、不同气源之间的比例、刻蚀功率、射频功率及刻蚀时间，可以调节纳米柱阵列的直径和高度。其中一种较为优选的工艺条件是具体刻蚀条件如下刻蚀工艺B0SCH工艺；刻蚀气源、流量及时间SF6 20 30sccm 4s, O2 20 50sccm 4s, C4F8 20 50sccm 4s ；亥Ij蚀功率 400 IOOOff ；射频功率40 70W ；反应腔压力4 IOmTorr ；刻蚀总时间4 IOmin0上述PECVD或LPCVD法共形生长获得薄膜的工艺过程是，以富硅氧化硅薄膜的PECVD法生长工艺为例，优选在功率源频率为13. 56MHz，基片温度为350°C和2000mTorr的工作压强下获得的。它是以SiH4、N20、Ar为气源，通过调节不同气源之间的比例、沉积压强、 沉积时间，可以调节富硅氧化硅薄膜的组分和厚度。其中一种较为优选工艺的条件是沉积条件如下沉积气源及流量=SiH4 3 55sccm ；N2O 710sccm ；Ar 180sccm ；射频功率 2OW;反应腔压力2000mTorr。上述的后续退火工艺，优选在队的保护下进行，先在400 500°C进行去氢处理， 然后分别在800 1300°C进行保温退火处理，从而可以获得不同尺寸的硅纳米晶量子点结构。以富硅氧化硅薄膜的后续退火工艺为例，其中一种较为优选工艺的条件是在队的保护下，把样品在退火炉中升温至400 500°C并保温约半小时以达到除氢的目的，然后继续升温至800 1300°C并保温约半至一小时，从而使硅纳米晶量子点能均勻地析出，然后再自然降温至室温。上述氧化铟锡(ITO)电极的共形生长，优选在ITO薄膜蒸发台上进行，在温度为 280 350°C和氧气的环境下，通过调节蒸镀时间，可蒸镀出厚度为200 500nm的ITO导电薄膜电极。而若采用有机导电薄膜作为透明共形电极，则其可采用本领域技术人员习知的各种方法制备形成。上述的硅基底背欧姆电极的沉积，优选在电子束蒸发系统中进行，通过改变沉积功率、沉积时间，可获得不同厚度的欧姆接触电极。以下结合附图及其中一较佳实施例详细说明本发明的技术方案
本实施例硅基光发射器件的基本结构可参考图1所示在电阻率为0.004 0. 005 Ω · cm的B重掺杂的P型硅衬底1的正表面有干法刻蚀获得的有序排列的纳米柱光子晶体阵列2，阵列上面有共形沉积并退火获得的含有硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅薄膜3，然后其上还有一层氧化铟锡(ITO)共形电极4;在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极 5。该硅基光发射器件的制备工艺如下
1)采用<100>，电阻率为0. 004 0. 005 Ω · cm的B重掺杂的P型硅片作为衬底。2)对硅基片进行清洗，包括有机清洗及无机清洗工序；
3)掩模胶体层的制备通过提拉法，利用纳米微球之间弯液面产生的毛细作用力为主要驱动力，在硅基片上制备大面积单层有序自组装的二维SiA纳米微球胶体层，如图2所
7J\ ο其中具体条件如下提拉速度25Mm/s ；提拉温度室温；提拉湿度45% ；微球粒径500nm ；悬浊液纳米微球的乙醇/水悬浊液；悬浊液浓度5% (V%)。4)硅纳米柱光子晶体的深反应离子刻蚀以自组装形成的微球胶体层为掩模，对硅衬底表面进行深反应离子刻蚀。通过改变不同的刻蚀条件，获得不同形貌及尺寸的硅纳米柱有序光子晶体阵列，如图3所示。所用仪器为Oxford Systems Plasma Lab 380s。其中具体刻蚀条件为刻蚀工艺B0SCH工艺；刻蚀气源、流量及时间SF6 25sccm 4s, O2 30sccm 4s, C4F8 45sccm 4s ；功率源频率为13. 56MHz ；功率为 700W ；射频功率50W ；反应腔压力IOmTorr ；刻蚀总时间7min。硅纳米柱刻蚀完成后，需腐蚀去除原来的S^2掩模微球。去除掩模微球所用溶液配方HF:去离子H2O=I: 10，腐蚀温度为常温，腐蚀时间3 5min。所获得的硅纳米柱直径约为300nm，长度为1. 5 2Mm。5)含硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅薄膜层的制备利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在已制备的硅纳米柱阵列基础上，共形生长一层厚度约IOOnm的富硅氧化硅薄膜。然后经过一定的退火工艺，获得所需的含有硅纳米晶的富硅氧化硅薄膜。其中，PECVD中薄膜生长的具体工艺条件为沉积气源及流量=SiH4 40sccm, N2O 710sccm, Ar 180sccm ；功率源频率:13. 56 MHz ；射频功率:20ff ；反应腔压力:2000mTorr ； 衬底温度350°C。退火工艺具体条件为把前所制备的样品放入室温下的退火炉，升温至400°C并保温约半小时以达到除氢的目的，然后继续升温至800 1300°C并保温约半小时，从而使硅纳米晶量子点能均勻地析出，然后再自然降温至室温即可，整个退火过程需队气进行保护。6)上部及底部电极的制备
上部电极的制备将退火后的器件放入ITO薄膜蒸发台上，在温度为280 350°C和氧气的环境下，蒸镀厚度为150nm的ITO导电薄膜层。硅底部欧姆接触电极的制备利用电子束蒸发系统，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极，厚度为200 400nm。本发明在纳米尺度无需电子束光刻，极大节约成本的同时又增大了载流子的注入效率和光提取效率，伴随硅纳米晶结构能共同提高发光强度，可以用于硅基激光器等的研究制备。器件制备工艺简单，参数精确可调，与现行成熟的硅工艺相兼容，同时也对推动光子晶体纳米柱阵列在微纳光电子领域的应用以及研究光与物质的相互作用具有重要意义。除上述实施例外，本发明还可以有其他的实施方式。凡采用等效变换或等同替换形成的技术方案(例如改变衬底的类型及掺杂浓度、SiO2纳米微球的直径、刻蚀具体条件等)，均在本发明要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种硅基光发射器件，包括硅衬底，其特征在于，所述硅衬底正面经刻蚀形成纳米柱光子晶体阵列，所述纳米柱光子晶体阵列上共形沉积含有硅纳米晶量子点结构的薄膜层， 所述薄膜层上覆盖透明共形电极，所述硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的硅基光发射器件，其特征在于所述硅衬底采用电阻率为0.004 0. 005 Ω · cm的B重掺杂P型硅片。
3.根据权利要求1所述的硅基光发射器件，其特征在于所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0.8 3Mm，直径为100 500nm，且相邻两纳米柱中心距离为300nm 1.5Mm。
4.根据权利要求1所述的硅基光发射器件，其特征在于所述薄膜层为含有硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50 300nm。
5.根据权利要求1所述的硅基光发射器件，其特征在于所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200 500nm ； 所述欧姆接触电极厚度为200 lOOOnm，且所述欧姆接触电极材料至少选用铝、铜、 银、金和钼中的任意一种金属或其中任意两种及其以上的合金。
6.如权利要求1所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，该方法为I、在经清洗后的硅衬底正面自组装形成二维有序SiO2纳米微球单层胶体层；II、利用微球掩膜刻蚀技术，通过深反应离子刻蚀获得硅纳米柱光子晶体阵列；III、依次在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层和透明共形电极，并在硅衬底背面上沉积欧姆接触电极，获得目标产品。
7.根据权利要求6所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，步骤I中采用 <100>，电阻率为0. 004 0. 005 Ω · cm的B重掺杂的P型硅片作为衬底，并以提拉法在衬底正面自组装形成二维有序SiO2纳米微球单层胶体层。
8.根据权利要求6所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0.8 3Mm，直径为100 500nm，且相邻两纳米柱中心距离为 300nm 1. 5Mm。
9.根据权利要求6所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，步骤III中采用利用 PECVD或LPCVD工艺及后续退火工艺在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层，所述薄膜层为富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50 300nm。
10.根据权利要求6所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于， 所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200 500nm ；所述欧姆接触电极至少由铝、铜、银、金和钼中的任意一种金属或其中任意两种及其以上的合金构成，其厚度为200 lOOOnm。
全文摘要
本发明公开了一种硅基光发射器件及其制备方法。该器件包括硅衬底，该衬底正面经刻蚀形成纳米柱光子晶体阵列，该阵列上共形沉积含有硅纳米晶量子点结构的薄膜层，该薄膜层上覆盖透明共形电极，该衬底背面沉积有欧姆接触电极；该方法为在衬底正面利用微球掩膜刻蚀技术，通过深反应离子刻蚀获得硅纳米柱光子晶体阵列，再依次在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层和透明共形电极，并在衬底背面上沉积欧姆接触电极，获得目标产品。本发明的硅基发光器件同时采用光子晶体纳米柱阵列和硅纳米晶量子点结构，有效提高了光提取效率和载流子注入效率，进而提高了器件发光强度和光发射效率，且器件结构简单，工艺简便，成本低廉。
文档编号H01L33/00GK102280545SQ20111023537
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者李永垒, 王亦, 蒋春萍, 钱波 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所