矽基雙勢壘結構隧道發光二極體及其製造方法
2023-05-28 00:51:46
專利名稱：矽基雙勢壘結構隧道發光二極體及其製造方法
技術領域：
本發明是一種半導體發光器件的製造，尤其是一種矽基發光管制造的技術。
用矽(Si)製作發光器件是當今光電子學的一個重大課題，由於矽屬於間接帶隙半導體材料，其導帶和價帶的極值不在K空間的同一點，根據K守恆原理，注入到矽導帶底的電子與價帶頂的空穴的複合必須藉助於聲子的參與，因而機率很低，其禁帶寬度約為1.12ev，能量對應於紅外區，因此Si材料本身不是一種合適的發光材料。但是，由於當今矽微電子工藝已驚人地完美，能夠直接在矽片上製成發光器件並使之與矽微電子工藝兼容，成為光電集成技術方面的一個奮鬥目標。多年來，砷化鎵(GaAs)等一些直接帶隙半導體材料一直作為重要的發光材料加以研究，但GaAs等材料與Si微電子工藝不能兼容，且價格昂貴。為更好地適應集成光電子學的發展，迫切需要開發適合超大規模集成電路(VLSI)尺寸的Si基發光器件，近年來，人們嘗試了許多方法以使Si能夠發光，如根據能帶工程的理論，在Si襯底上生長Si1-xGex的多層量子阱材料和短周期超晶格材料，以實現帶間躍遷發光；利用摻雜工程，在Si中摻入稀土離子作為局域化的發光中心，以實現電子一空穴的複合發光；利用量子尺寸效應，使電化學腐蝕下的多孔矽材料的能帶得以展寬，實現可見光的發射。以上方法各有其局限性，或工藝複雜，難以控制；或發光穩定性較差；或發光強度與發光量子效率較低等等。
本發明的目的就是提供一種穩定性較好、製備工藝較簡單、與矽微電子工藝兼容且發光強度及效率較高的矽基雙勢壘結構隧道發光二極體及其製造方法。
本發明的矽基雙勢壘結構隧道發光二極體的結構為以矽片為基底，在矽片的上表面設有一層磷擴散層，在磷擴散層上設有一厚層二氧化矽薄膜，在厚層二氧化矽薄膜上設有一個小孔，該小孔底部為薄層二氧化矽薄膜，在小孔外的厚層二氧化矽薄膜旁設有以高純鋁膜製成的負電極與磷擴散層相連，在小孔中的薄層二氧化矽上設有另一種氧化物膜，在該氧化物膜上設有粘結層鈦，在該粘結層鈦上設有作為正電極的金膜。本發明的製造方法為a.選用N型矽片，進行表面磷擴散，即在矽片表面製成一層磷擴散層；b.在磷擴散層的表面生長厚層二氧化矽薄膜；c.在厚層二氧化矽薄膜上光刻出一個小孔作為發光區；d.在上述光刻後的小孔中生長一層薄層二氧化矽薄膜；e.在小孔外的厚層二氧化矽薄膜上，採用光刻的方法刻除厚層二氧化矽形成一個電極區，並在該電極區製備一層高純鋁膜作為負電極與磷擴散層相連；f.在小孔中的薄層二氧化矽薄膜上生長一層另一種氧化物膜；g.在上述氧化物膜上製備一層極薄的粘結層鈦，並在該粘結層鈦上製備一層金膜作為正電極；h.劃片、裝基座、引出電極線、封裝。
本發明的優點在於1.製備工藝與矽微電子工藝兼容，可方便地實現矽基光電子集成。
2.製備工藝簡單，只需基本的半導體工藝及薄膜製備技術，易於操作，成本較低。
3.發光性能較好，如發光穩定性、發光強度、發光效率等將大為提高。
4.所需加載的電壓為直流電壓，且發光電壓較低，3～5伏即可，發光顏色可隨所加電壓大小而改變。
5.該二極體為平面薄膜型結構，可吸納薄膜技術的其它成果，實現光、電、熱、聲、磁功能的全面集成，可開發出系列複合功能薄膜器件。
圖1是本發明的總體結構示意圖。其中有矽片1、磷擴散層2、厚層二氧化矽薄膜3、小孔31、高純鋁膜4、氧化物膜5、粘結層鈦6、金膜7。
本發明的實施方案如下其方法為a.選用晶向111的n型Si片，進行表面磷擴散，使表面層磷摻雜濃度達≥1021cm-3；b.按微電子工藝，清洗Si片並烘乾。在有磷摻雜的Si片表面生長一層厚200nm左右的SiO2薄膜，成膜後進行退火緻密處理；c.對上述SiO2層進行光刻，刻出直徑1～3mm的小孔發光區；d.在上述小孔區內，採用熱氧化工藝生長一層3～5nm厚的薄層SiO2，該薄層SiO2即為矽基雙勢壘結構隧道發光二極體中的勢壘層之一，其周圍的厚層SiO2作隔離並減少產生的結漏電流之用；e.在靠近上述光刻的小孔區不遠處，對厚層SiO2進行光刻，刻出電極區，在該電極區濺射一層厚500nm左右的高純Al膜，並使之與Si表面磷擴散層形成良好的歐姆接觸，作為負電極；f.在薄層SiO2膜上，通過反應濺射方法生長一層厚約7～10nm的Al2O3膜，該氧化物薄膜為矽基雙勢壘結構隧道發光二極體中的另一勢壘層；g.在上述製備的Al2O3薄膜上，製造一層極薄的粘結層鈦(Ti)，在Ti層上真空蒸發厚約50nm左右的Au膜作正電極。其中Ti層的製備是為了保證Au膜與氧化層之間的良好附著與連接；h.劃片，裝基座，用直徑0.1～0.2mm的鋁(Al)絲超聲壓焊引出電極導線，使樣品封裝在管殼內。
根據以上所述便可製成本發明的矽基雙勢壘結構隧道發光二極體。
權利要求
1.一種矽基雙勢壘結構隧道發光二極體，其特徵在於該二極體的結構為以矽片(1)為基底，在矽片(1)的上表面設有一層磷擴散層(2)，在磷擴散層(2)上設有一厚層二氧化矽薄膜(3)，在厚層二氧化矽薄膜(3)上設有一個小孔(31)，該小孔(31)底部為薄層二氧化矽薄膜，在小孔(31)外的厚層二氧化矽薄膜(3)旁設有以高純鋁膜(4)製成的負電極與磷擴散層(2)相連，在小孔(31)中的薄層二氧化矽上設有另一種氧化物膜(5)，在該氧化物膜(5)上設有粘結層鈦(6)，在該粘結層鈦(6)上設有作為正電極的金膜(7)。
2.一種實現權利要求1的矽基雙勢壘結構隧道發光二極體的製造方法，其特徵在於該方法為a.選用N型矽片(1)，進行表面磷擴散，即在矽片表面製成一層磷擴散層(2)；b.在磷擴散層(2)的表面生長厚層氧化矽薄膜(3)；c.在厚層二氧化矽薄膜(3)上光刻出一個小孔(31)作為發光區；d.在上述光刻後的小孔(31)中生長一層薄層二氧化矽薄膜；e.在小孔(31)外的厚層二氧化矽薄膜(3)上，採用光刻的方法刻除厚層二氧化矽形成一個電極區，並在該電極區製備一層高純鋁膜(4)作為負電極與磷擴散層相連；f.在小孔(31)中的薄層二氧化矽薄膜上生長一層另一種氧化物膜(5)；g.在上述氧化物膜(5)上製備一層極薄的粘結層鈦(6)，並在該粘結層鈦(6)上製備一層金膜作為正電極；h.劃片、裝基座、引出電極線、封裝。
3.根據權利要求1所述的矽基雙壘勢結構隧道發光二極體，其特徵在於磷擴散層(2)的摻雜濃度大於等於1021cm-3。
4.根據權利要求1或3所述的矽基雙壘勢結構隧道發光二極體，其特徵在於氧化物膜(5)為三氧化二鋁或五氧化二鉭。
全文摘要
矽基雙勢壘結構隧道發光二極體及其製造方法是一種矽基發光管及其製造方法,該發光管結構為以矽片為基底,在矽片的上表面設有一層磷擴散層,在磷擴散層上設有一厚層的二氧化矽薄膜,在厚層二氧化矽薄膜上設有一個小孔,該小孔底部為薄層二氧化矽薄膜,在小孔外的厚層二氧化矽薄膜旁設有以高純鋁膜製成的負電極與磷擴散層相連,在小孔中薄層二氧化矽膜上設有另一種氧化物膜,在氧化物膜上設有粘結層鈦,在粘結層鈦上設有作為正電極的金膜。
文檔編號H01L29/66GK1260600SQ0011204
公開日2000年7月19日 申請日期2000年1月24日 優先權日2000年1月24日
發明者王茂祥, 孫承休, 俞建華 申請人:東南大學