[發(fā)明專利]可控非對(duì)稱摻雜勢(shì)壘納米硅基發(fā)光器件及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810025499.6
• 申請(qǐng)日: 2008-05-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101271947A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋德遠(yuǎn);徐駿;王濤;陳德媛;韓培高;孫紅程;劉宇;陳谷然;陳坤基;馬忠元;李偉;徐嶺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L33/00
• 分類號(hào): H01L33/00
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 何朝旭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種硅基發(fā)光器件，尤其是一種基于可控非對(duì)稱摻雜勢(shì)壘量子阱結(jié)構(gòu)的納米硅基發(fā)光器件，同時(shí)還涉及其制備方法，屬于納米電子和納米光電子器件材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

硅基微電子技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了當(dāng)今飛速發(fā)展的信息時(shí)代，并且引起了社會(huì)生活的巨大變革。但是隨著微電子器件集成度的不斷提高，現(xiàn)有的器件將達(dá)到其物理極限，面對(duì)著物理機(jī)制、時(shí)延、工藝等諸多新的挑戰(zhàn)。在上述背景下，人們的目光從電子轉(zhuǎn)向了光子，嘗試用光子作為信息的載體。然而在光電集成領(lǐng)域，晶體硅(c-Si)材料本身卻不是很適合用來(lái)制作光電器件：它的載流子遷移率低，且為間接帶隙半導(dǎo)體。

目前，改進(jìn)硅特性的方法可分為兩類：(1)雜質(zhì)和缺陷工程，即將等電子雜質(zhì)或稀土金屬離子摻入到硅材料中，作為復(fù)合中心；(2)能帶工程，通過(guò)降低維數(shù)構(gòu)造硅材料，這種硅材料的光電特性可人為“剪裁”。近十幾年來(lái)，利用能帶工程制備的硅基低維結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如多孔硅、納米硅、硅量子線、SiGe應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)以及硅氧化合物低維體系等均屬這類材料。

對(duì)于硅氧化合物低維體系，其代表為鑲嵌納米硅(nc-Si)晶粒的二氧化硅(SiO₂)或納米硅(nc-Si)/二氧化硅量子阱結(jié)構(gòu)，以此為發(fā)光有源層的硅基發(fā)光器件，其優(yōu)點(diǎn)為納米硅表面穩(wěn)定性和剛性比多孔硅好得多，而且光致發(fā)光效率高。這是因?yàn)槎趸璧膸洞?～9eV)，它同硅構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)帶和價(jià)帶的能帶偏移分別達(dá)到3.15eV和4.55eV(如圖1所示)，因而SiO₂/c-Si/SiO₂組成的量子阱對(duì)電子和空穴都有很強(qiáng)的量子限制效應(yīng)，激子的束縛作用強(qiáng)，有利于提高發(fā)光效率。其次，SiO₂是Si表面的一種理想的鈍化膜，制作工藝和質(zhì)量控制都非常成熟可靠，與當(dāng)前微電子工藝相兼容。而且，近年來(lái)硅氧化合物低維體系的光致發(fā)光研究取得重大進(jìn)展，令人鼓舞的是2000年L.Pavesi研究組從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了二氧化硅中鑲嵌納米硅在短波激光泵浦下的光增益，這為硅氧化合物低維體系電泵浦下的光增益以及未來(lái)光電集成的首選光源——電泵浦全硅基激光器的實(shí)現(xiàn)提出了可能。

然而，總體來(lái)說(shuō)，目前硅氧化合物低維體系的電致發(fā)光器件進(jìn)展較慢，主要問(wèn)題為電致發(fā)光效率低、穩(wěn)定性差。這有著多方面的原因，除了因成膜質(zhì)量的影響載流子的輻射復(fù)合效率較低外，納米硅密度和載流子的注入效率及其均衡性也有著很大的影響。因?yàn)镾iO₂同單晶硅構(gòu)成量子阱中能帶偏移分別達(dá)到3.15eV和4.55eV，對(duì)于載流子這是較高的勢(shì)壘，更嚴(yán)重的是導(dǎo)帶和價(jià)帶的能帶偏移不同，使得電子比空穴更容易越過(guò)勢(shì)壘注入到納米硅中，造成電子空穴的非平衡注入，大大降低納米硅或與其相關(guān)的發(fā)光中心的載流子的輻射復(fù)合效率和器件的發(fā)光效率。國(guó)內(nèi)外的眾多研究小組提出的提高注入效率的方法可包括：(1)改善電極與發(fā)光有源層之間的界面，降低接觸電阻，提高載流子注入發(fā)光有源層的效率。(2)選用鈣(Ca)等低功函數(shù)金屬作為器件陰極，選用金(Au)、鎳(Ni)等高功函數(shù)金屬作為陽(yáng)極，降低電極與發(fā)光有源層的隧穿勢(shì)壘，提高了注入效率([2]Appl.Phys.Lett.2005，86：193506)，(3)在襯底表面構(gòu)造金字塔型結(jié)構(gòu)，使表面粗糙化，該結(jié)構(gòu)形如尖端電極，增強(qiáng)了隧穿，有利于載流子從其注入發(fā)光有源層，提高了電流注入效率([3]Appl.Phys.Lett.2006，89：093126)。上述方法都是提高了載流子從電極到發(fā)光有源層的注入效率，但是，據(jù)申請(qǐng)人了解，目前還沒(méi)有有效地解決因?qū)Ш蛢r(jià)帶的能帶偏移不同而造成的載流子注入不平衡問(wèn)題的方法。如何提高空穴的注入效率使其能與電子的注入效率相平衡仍是個(gè)亟待解決的技術(shù)難題，對(duì)提高器件的發(fā)光效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，兼用能帶和摻雜工程，提出一種可控非對(duì)稱摻雜勢(shì)壘納米硅基發(fā)光器件(例如可控的硼摻雜非晶碳化硅/納米硅/磷摻雜非晶二氧化硅或硼摻雜非晶氮化硅/納米硅/磷摻雜非晶二氧化硅以及其它類似結(jié)構(gòu))，從而提高基于此結(jié)構(gòu)的納米硅基發(fā)光器件的載流子(電子與空穴)平衡注入的效率和輻射發(fā)光的效率。同時(shí)給出與當(dāng)前微電子工藝相兼容的制備方法，從而滿足科技發(fā)展對(duì)于硅光電子器件的需求。