专利名称：一种纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管及其制备方法
技术领域：
发明涉及一种硅基发光二极管，尤其是一种应用纳米银圆环局域表面等离激元增强发光效率的硅基可控波长发光二极管，同时还涉及其制备方法，属于纳米光电子器件材料技术领域。
背景技术：
提闻娃基光源的光发射效率是目如实现单片娃基光电集成的瓶颈。理论研究表明，通过纳米金属的局域表面等离激元来提高硅基发光器件的内量子效率有可能成为解决这一问题的有效途径。近年来，纳米金属局域表面等离激元在增强硅基发光器件的发光效率方面取得了突破性的进展，2008年韩国Seone-Ju Park小组报道了利用纳米银颗粒的局域表面等离激元增强硅量子点发光二极管，在这个结构中，金属颗粒层被置于发光层与衬底之间，Si量子点和局域表面等离子激元间的耦合增强了辐射复合几率[1]，该研究小组又将类似的结构应用到了 InGaN/GaN量子阱发光二极管中，使发光二极管的输出功率提高了32%[2]。据申请人了解，到目前为止，国际上研究小组主要采用纳米金属颗粒的局域表面等离激元来增强的硅基发光二级管的发光效率，但应用纳米银圆环的表面等离激元来增强娃基发光二极管至今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于:提出一种在室温下应用纳米银圆环的局域表面等离激元增强发光效率的可控波长的硅基发光二极管，从而满足科技发展对光电子器件的需求。同时给出其制备方法，该方法与当前微电子工艺相兼容，从而可以切实应用于未来的硅基纳米光电子学器件。为了达到以下目的，本发明的纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管包括P型硅基底，所述P型硅基底上分布纳米银圆环阵列(其中的纳米银圆环的尺寸和位置可以控制，可称为有序可控的纳米金属圆环)；所述纳米银圆环阵列被P型硅基底上沉积掺氧的a-SiNx: O薄膜发光有源层覆盖；所述a-SiNx: H薄膜发光有源层上淀积留出窗口的电极。本发明的纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管制备基本过程包括以下步骤:
步骤一、构筑纳米银圆环
第一步、在P型硅基底上铺设PS (聚苯乙烯)纳米球的单层膜小球；
第二步、(采用电子束蒸发等技术手段)在铺设有PS纳米球的P型硅衬底上沉积纳米银
薄膜；
第三步、控制P型硅衬底的温度在50-80°C，控制纳米银的沉积速率为0.1-0.3纳米/秒，使纳米银颗粒围绕PS纳米球的环型周边连续分布；
第四步、将上述四周被纳米银包围的PS纳米球浸泡在二氯甲烷中，再经过丙酮和酒精的依次清洗，去除PS纳米球，获得所需的纳米银圆环阵列；
步骤二、构筑发光有源层一在纳米银圆环阵列的表面分解硅烷和氨气的混合气体，淀积a-SiNx:H薄膜,再对a-SiNx:H薄膜进行氧化,获得掺氧a-SiNx:O薄膜形成的发光有源层；
步骤三、构筑薄膜电极一在掺氧a-SiNx:H薄膜形成的发光有源层上淀积电极，并留出窗口。
本发明使发光有源层和纳米金属圆环的有机结合，可以切实实现硅基局域表面等离激元增强的可控波长的发光二极管的制备，具有如下显著优点:
1)通过选择不同直径尺寸的PS纳米球可获得尺寸可控的纳米银圆环，为局域表面等离激元的吸收波长的调控奠定了基础；
2)发光有源层的可控发光波长为实现局域表面等离激元的共振吸收提供了保证；
3)低温制备，工艺简单，与半导体的硅工艺相兼容，便于推广应用；
4)原位氧化技术保证了样品表面的清洁度。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1 (a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)分别是本发明一个实施例的各工艺过程示意图。图2是图1实施例制成的样品剖面结构示意图。图3为图1实施例纳米银圆环制成之后的AFM图片。
具体实施例方式实施例一
本实施例的纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管采用图1 (a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示工艺过程制备。步骤一、构筑纳米银圆环
第一步、如图1 (a)所示，在P+型硅基底上采用自组装法铺设有序排列的PS纳米球的单层膜小球；纳米球购自Duke公司，浓度为IOwt.%,纳米球的尺寸从300纳米变化到170纳米，标准偏差小于10%。具体操作为，先将PS纳米球在液面上自组装成单层膜，再将膜转移到衬底上，在空气中自然挥发干燥。第二步、如图1 (b)所示，采用电子束蒸发设备，在铺设有PS纳米球的P+型硅衬底上蒸发沉积纳米银薄膜，薄膜的厚度控制在80-150纳米。第三步、控制P+型硅衬底的温度在50_80°C，控制纳米银的沉积速率为0.1-0.3纳米/秒，使纳米银颗粒围绕PS纳米球的环型周边连续分布。第四步、如图1 (C)所示，将上述四周被纳米银包围的PS纳米球浸泡在二氯甲烷中，再经过丙酮和酒精的依次清洗，并借助超声波，去除PS纳米球，获得所需有序可控的纳米银圆环阵列。纳米银圆环的直径可以通过选取PS纳米球的直径加以改变。步骤二、构筑发光有源层一如图1 (d)所示，在有序可控的纳米银圆环阵列的表面采用PECVD法分解硅烷和氨气的混合气体，淀积a-SiNx:H薄膜，再对a-SiNx:H薄膜进行氧化，获得掺氧a-SiNx:0薄膜形成的发光有源层。本步骤可以参见申请号为200710020068.6的中国专利文献，其中的氧化为原位等离子体氧化，或者热氧化。控制氨气/硅烷(NH3/SiH4)流量比，可以制作不同氮组分的掺氧a-SiNx:H薄膜，从而获得不同发光波长的a-SiNx:H薄膜。通过改变气体NH3/SiH4的流量比R，从0.5增加到8，达到改变a-SiNx:H薄膜中N组分从0.33增加到0.89，可控制薄膜的发光波长从425纳米变化到650纳米。更具体而言，此步骤在等离子体增强化学汽相淀积系统中，由计算机控制质量流量计开关，在反应室内分解SiH4和NH3淀积a-SiNx: H薄膜，然后再对a-SiNx: H层进行纯氧等离子体氧化获得掺氧氮化硅a-SiNx: 0，通过控制掺氧氮化硅淀积的时间80到100秒，在衬底上制备不同厚度的a-SiNx: H薄膜，a-SiNx: H薄膜厚度的变化范围控制在80到IOOnm为宜。等离子体氧化的功率为50瓦，氧化时间为30分钟到60分钟。采用325 nm的He-Cd激光激光光谱仪进行光致荧光谱的测量，确定a-SiNx: H薄膜的光致发光波长λ及其对应的膜组分中Si和N的含量比。步骤三、构筑薄膜电极一在掺氧a-SiNx:H薄膜形成的发光有源层上淀积电极，并留出窗口。以上局域表面等离激元的最强吸收波长主要通过调节金属银圆环的直径和环的厚度比来选择，掺氧氮化硅薄膜的发光波长则通过调控硅氮组分比来实现，当局域表面等离激元的最强吸收波长和掺氧氮化硅薄膜的发光波长接近发生共振吸收时，局域表面等离激元的增强发光效应最显著。实验证明，纳米银圆环的局域表面等离激元增强吸收波长可以在最小值300纳米与最大值800纳米之间调整变化。在本实施例样品的顶部和底部加上电场，检测样品的1-V特性，并用光电倍增管测试，从窗口发出的电致发光谱图证明，可以获得从425 nm到650nm的发光波长，从而成为图2所示的硅基可控波长发光二极管，在P+型硅基底上以PS小球为掩模获得纳米银圆环阵列；纳米银圆环阵列被P型硅基底上沉积掺氧a-SiNx: O薄膜形成发光有源层覆盖；a_SiNx: H发光有源层上蒸发金属电极，并留出窗口。在样品的顶部和底部加上电场，检测样品的ι-v特性，用光电倍增管可测得从窗口发出的电致发光谱图。纳米银圆环制成之后的AFM照片如图3所示，在硅片上以自组装单层PS纳米球为模板蒸发纳米银获得纳米银圆环阵列，在具有纳米银圆环阵列的硅基底上沉积非晶SiNx:H薄膜并结合原位等离子体氧化的技术获得掺氧a-SiNx:H薄膜作为有源层。检测表明，非晶掺氧SiNx:0薄膜在室温下具有较强的从蓝光到红光波段的光致发光。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。[1]Β.- H.Kim, C.- H.Cho, J.- S.Mun, Μ.- K.Kwon, Τ.- Y.Park, J.S.Kimj C.C.Byeonj J.Lee, and S.- J.Park, Adv.Mater.20，3100 (2008)M.-K.Kwonj J.-Y.Kimj B.-H.Kimj1.-K.Park, C.-Y.Choj C.C.Byeonjand s.-j.parkadv.mater.20,1253(2008)
权利要求
1.一种纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管，包括P型硅基底，其特征在于:所述P型硅基底上分布纳米银圆环阵列；所述纳米银圆环阵列被P型硅基底上沉积掺氧的a-SiNx: O薄膜发光有源层覆盖；所述a-SiNx: H薄膜发光有源层上淀积留出窗口的电极。
2.根据权利要求1所述的纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管，其特征在于:所述a-SiNx:O薄膜的厚度为80-150纳米。
3.—种纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、构筑纳米银圆环 第一步、在P型硅基底上铺设PS纳米球的单层膜小球； 第二步、在铺设有PS纳米球的P型硅衬底上沉积纳米银薄膜； 第三步、控制P型硅衬底的温度在50-80°C，控制纳米银的沉积速率为0.1-0.3纳米/秒，使纳米银颗粒围绕PS纳米球的环型周边连续分布； 第四步、将上述四周被纳米银包围的PS纳米球浸泡在二氯甲烷中，再经过丙酮和酒精的依次清洗，去除PS纳米球，获得所需的纳米银圆环阵列； 步骤二、构筑发光有源层——在纳米银圆环阵列的表面分解硅烷和氨气的混合气体，淀积a-SiNx:H薄膜，再对a-SiNx:H薄膜进行氧化，获得掺氧a_SiNX:0薄膜发光有源层； 步骤三、构筑薄膜电极一在掺氧a-SiNx:H薄膜形成的发光有源层上淀积电极，并留出窗口。
4.根据权利要求3所述纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管的制备方法，其特征在于:所述步骤二中，氨气/硅烷的流量比为0.5到8。
5.根据权利要求4所述纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管的制备方法，其特征在于:所述步骤二中，先分解SiH4和NH3淀积a-SiNx: H薄膜，然后再对a-SiNx: H层进行纯氧等离子体氧化,获得掺氧a-SiNx: O薄膜。
6.根据权利要求5所述纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管的制备方法，其特征在于:所述步骤二中控制掺氧氮化硅薄膜的淀积时间在80到100秒。
全文摘要
本发明涉及纳米银圆环局域表面等离激元增强型发光二极管,同时还涉及其制备方法，属于纳米光电子器件材料技术领域。该二极管包括P型硅基底，P型硅基底上的纳米银圆环；沉积在纳米银圆环覆盖P型硅基底的掺氧a-SiNx:O薄膜发光有源层；掺氧a-SiNx:H发光有源层上蒸发金属电极,留出窗口。本发明使发光有源层和纳米金属圆环的有机结合，可以切实实现硅基局域表面等离激元增强的可控波长的发光二极管的制备。
文档编号H01L33/00GK103078031SQ20131002587
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者马忠元, 徐岭, 倪小东, 江小帆, 杨华烽, 史勇, 任圣, 张小伟, 李伟, 徐骏, 陈坤基, 冯端 申请人:南京大学