提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件及製備方法

2023-12-05 23:33:26 1

提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件及製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高氮化矽基發光二極體發光效率的器件及製備方法，屬於半導體發光器件【技術領域】。該方法的主要步驟為：以p-Si作為空穴注入層，在其上澱積超薄非晶矽薄膜；然而在其上澱積氮化矽基薄膜作為發光有源層；再放入退火爐內，先後完成脫氫退火和穩態高溫退火，使得超薄非晶矽薄膜轉化為納米矽薄膜；之後，在氮化矽基發光有源層上澱積留有光學窗口的AZO透明導電薄膜。本發明的主要有益效果是：超薄納米矽在器件中作為空穴阻擋層，有效地抑制空穴載流子的過多注入，從而促進電子、空穴的平衡注入，提高器件的發光效率。本發明製備過程簡單，有很好的可控性，與當前微電子工藝相兼容。
【專利說明】提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件及其製備方法，尤其是一種利用超薄納米矽作為空穴阻擋層，抑制發光器件中空穴載流子的過多注入，從而促進電子、空穴的平衡注入，提高器件的發光效率。屬於半導體發光器件【技術領域】。
【背景技術】
[0002]基於半導體矽基材料的光電子集成是21世紀新一代半導體器件的核心，也是現代信息技術的硬體基礎。而矽基光源是實現Si單片光電集成最核心也是最基本的要素之一，這不僅是當前材料科學和微電子學領域中的重大研究課題，也是該學科的國際研究前沿，具有重要的基礎和應用研究意義。
[0003]娃基材料的聞效發光是實現光電子集成的關鍵，而娃基低維納米結構是獲得聞效發光的重要途徑。近十幾年來，許多實驗和理論研究工作表明，當Si材料的尺寸減小到幾納米(與電子的德布羅意波長可相比擬)時，呈現出明顯的量子尺寸效應，極大的改善其光學特性、發光效率。因此，基於這種物理特性的矽納米結構的構築備受廣泛關注。目前國際基於矽納米結構的發光材料主要集中在S1-SiOx和S1-SiNx體系。對於S1-SiOx發光系統，儘管已實現了高效率的光螢光發射和光增益，但由於SiO2高的勢壘，不利於載流子的注入，其電致發光效率仍然很低、穩定性差。近年來，SiNx由於具有比SiOx低的載流子注入勢壘，有利於提高發光器件的載流子注入效率而備受關注。然而，由於納米矽的導帶和價帶相對於Si3N4的導帶和價帶的能帶偏移不同,價帶間的能帶偏移值(1.2eV)小於導帶間的偏移值(2.0eV)，這導致空穴比電子更容易越過勢壘注入到納米矽中，造成電子空穴的非平衡注入，進而降低納米矽等發光中心的載流子輻射複合機率，從而降低器件發光效率。事實上，在常見的氮化矽基發光二極體器件結構(ΙΤ0(AZO)/SiNx/p-Si/Al)中，ρ-Si與SiNx之間的空穴注入勢壘要明顯小於ITO(AZO)與SiNx的電子注入勢壘，這無疑進一步加劇了器件電子空穴的非平衡注入，進一步降低器件發光效率。
[0004]國內外的眾多研究小組提出的改善氮化矽基發光二極體的方法主要是通過選用鈣等低功函數金屬作為器件的陰極，來減低電子的注入勢壘，進而提高電子的注入效率(Appl.Phys.Lett.，vol.86，pp.193506，2005.和 Appl.Phys.Lett.，vol.89，pp.063509, 2006)，但採用金屬代替ITO(AZO)作為陰極，不利於光的輸出，降低了光的面發射效率，這成為提高器件發光效率的絆腳石。

【發明內容】

[0005]針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在於:提出一種能提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件，改善發光器件中電子空穴的非平衡注入。本發明的另外一個目的是提供一種製備該器件的方法。
[0006]本發明的器件採用的技術方案如下:
[0007]提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件，包括金屬電極、ρ-Si空穴注入層、SiNx發光有源層和AZO薄膜，在所述p-Si空穴注入層與SiNx發光有源層之間還有一層超薄納米晶體矽層作為空穴阻擋層。
[0008]所述超薄納米晶體娃層的厚度為5nm-25nm。
[0009]進一步地，所述SiNx發光有源層中鑲嵌有矽量子點，矽量子點尺寸2_5nm。
[0010]本發明製備上述器件的方法包括以下步驟:
[0011]第一步、利用平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，通入SiH4和H2氣體，在P-Si襯底上澱積超薄含氫非晶矽(a-S1:H)薄膜；溫度控制在250±10°C，SiH4流量控制在1.5±0.5sccm，H2流量控制在10±5sccm，氣壓控制在60±5Pa，澱積時間控制在200 ±125 秒；
[0012]第二步、形成a-S1:H薄膜後，通入SiH4、NH3和H2氣體，在a_S1:H薄膜上，澱積氮化矽(SiNx:H)薄膜；溫度控制在250±10°C，SiH4流量控制在5±3sccm，NH3流量控制在25 土 lOsccm，H2流量控制在80 土 20sccm，氣壓控制在60 土 5Pa，澱積時間控制在400 土 50秒；
[0013]第三步、取出形成a-S1:H/SiNx:H薄膜的ρ-Si襯底，放入退火爐內，升溫至450±20°C,保溫60±5分鐘,完成脫氫退火；
[0014]第四步、在N2氣氛保護下，升溫至1100±20°C，保溫60±5分鐘，完成穩態高溫退火，得到超薄納米娃/氮化娃薄膜；
[0015]第五步、利用熱蒸發方法在氮化矽薄膜表面蒸鍍AZO薄膜(摻Al的ZnO薄膜)，其厚度為200±50nm，同時，在ρ-Si襯底底部蒸鍍Al膜，其厚度為600± lOOnm，形成電極。
[0016]上述方法製備的超薄納米娃層的厚度為5nm-25nm。
[0017]進一步地，穩態高溫退火後形成的氮化矽薄膜可以為鑲嵌矽量子點的氮化矽薄膜。
[0018]本發明的機理是:薄膜器件的電致發光是在偏壓的作用下，電子和空穴分別從器件的陰極和陽極注入到器件的有源層中，通過有源層的發光中心輻射複合發光的現象。器件的電致光發射強度及發光效率與載流子的平衡注入密切相關，載流子的非平衡注入，會降低發光有源層中載流子的輻射複合機率，從而降低器件發光效率。因此，載流子注入平衡的改善，可以有效提高器件發光效率。本發明通過在器件SiNx發光有源層與p-Si空穴注入層之間加入nc-Si (納米晶體娃)層，nc-Si層在SiNx層與p-Si之間形成能量勢魚,阻擋空穴的注入，如圖2所示。通過引入nc-Si層作為空穴阻擋層，並通過調製nc-Si層厚度改變其能帶，可進一步調控nc-Si層在SiNx層與p-Si之間的能量勢魚高度,進而進一步調控空穴的注入。以此改善器件電子空穴的平衡注入，提高有源層納米矽等發光中心的載流子輻射複合機率，從而獲取更高效率、更高強度的矽基電致發光器件。
[0019]本發明技術的有益效果:
[0020]1.改善器件載流子非平衡注入:在器件SiNx發光有源層與p-Si空穴注入層之間加入nc-Si層，nc-Si層作為空穴阻擋層抑制了器件中空穴的過多注入，並且，通過調節nc-Si層厚度改變其能帶,可進一步調控nc-Si層在SiNx層與p-Si之間的能量勢魚高度，進而進一步調控空穴的注入效率，平衡器件中電子和空穴的注入。
[0021]2.發光亮度更強、效率更高:相比於目前採用無nc-Si空穴阻擋層的氮化矽基發光二極體，利用本技術方案研製的發光器件的發光強度與發光效率提高了 2倍以上。
[0022]3.發光器件在低溫下製備，整個製備過程無需昂貴設備技術，工藝簡單，生產成本低，與目前微電子矽工藝相兼容，非常有望實現矽基單片光電集成。
[0023]4.本發明的方法也可推廣用於其它半導體發光器件性能的改善。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的氮化矽基發光二極體器件結構示意圖。
[0025]圖2為以5nm厚的nc_Si作為空穴阻擋層的氮化矽基發光二極體的器件能級示意圖。
[0026]圖3 (a)為以5nm厚的nc_Si作為空穴阻擋層的氮化矽基發光二極體的電致發光譜；圖(10是無nc-Si空穴阻擋層的氮化矽基發光二極體的電致發光譜。
[0027]圖4為含有5nm厚的nc_Si空穴阻擋層的器件(黑色實心方框)和無nc_Si空穴阻擋層的器件(空心三角框)的電致發光積分強度隨注入電流密度的變化關係曲線。
[0028]圖5為含有5nm厚的nc_Si空穴阻擋層的器件(黑色實心方框)和無nc_Si空穴阻擋層的器件(空心三角框)的電致發光積分強度與注入電流的比值隨注入電流密度的變化關係曲線。
【具體實施方式】
[0029]實施例1:
[0030]本實施例提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的方法具體步驟如下:
[0031]第一步、利用平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，通入SiH4和H2氣體，在P-Si襯底上澱積5nm厚度的含氫非晶矽(a_S1:H)薄膜；具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:1.5sccm，H2流量控制在lOsccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在75秒。
[0032]第二步、形成a-S1: H薄膜後，通入SiH4、NH3和H2氣體，在a_S1: H薄膜上，澱積50nm厚的氮化矽(SiNx:H)薄膜作為發光有源層；具體的設備控制參數為:具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:5sccm，NH3流量控制在25± lOsccm，H2流量控制在60sccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在400秒。
[0033]第三步、取出形成a-S1:H/SiNx:H薄膜的ρ-Si襯底，放入退火爐內，升溫至450±20°C,保溫60±5分鐘,完成脫氫退火；
[0034]第四步、在N2氣氛保護下，升溫至1100±20°C，保溫60±5分鐘，完成穩態高溫退火，通過高溫熱退火處理，使a-S1:H晶化形成納米娃，同時使SiNx:H發生相分離,形成鑲嵌娃量子點的氮化娃薄膜，娃量子點尺寸2-5nm ；
[0035]第五步、在鑲嵌娃量子點的氮化娃薄膜表面蒸鍍留有光學窗口的AZO透明導電薄膜，其厚度為200±50nm，同時，在ρ-Si襯底底部蒸鍍Al膜，其厚度為600 ± lOOnm，形成電極，製成發光器件。
[0036]檢測後可以得到圖3至圖5的有關結果。
[0037]由圖3 (a)和圖3 (b)可以看到，在相同注入電流下，以納米矽層作為空穴阻擋層的器件發光強度明顯強於無納米矽層空穴阻擋層的發光器件，並且以納米矽層作為空穴阻擋層的發光器件在低注入電流(57mA/cm2)下即可獲得電致發光輸出。
[0038]從圖4可看到，在相同注入電流密度下，以納米矽層作為空穴阻擋層的發光器件發光強度比無納米矽層空穴阻擋層的發光器件增強了 2倍以上。
[0039]圖5示出有nc-Si空穴阻擋層和無nc_Si空穴阻擋層的器件的電致發光積分強度與注入電流的比值隨注入電流密度的變化關係。在相同注入電流密度條件下，以納米矽層作為空穴阻擋層的發光器件的電致發光積分強度與注入電流的比值比無納米矽層空穴阻擋層的發光器件增強了 2倍以上，即以納米矽層作為空穴阻擋層的發光器件的電致發光效率提高了 2倍以上。這說明在氮化矽基發光二極體中加入納米矽層作為空穴阻擋層能有效抑制空穴的過多注入，改善器件中電子空穴的平衡注入，提高注入載流子的輻射複合機率和器件電致發光效率。
[0040]實施例2:
[0041]本實施例通過以下步驟提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率:
[0042]第一步、利用平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，通入SiH4和H2氣體，在P-Si襯底上澱積IOnm厚度的含氫非晶矽(a-S1:H)薄膜；具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:1.5sccm，H2流量控制在lOsccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在150秒。
[0043]第二步、形成a-S1: H薄膜後，通入SiH4、NH3和H2氣體，在a_S1: H薄膜上，澱積50nm厚的氮化矽(SiNx:H)薄膜作為發光有源層；具體的設備控制參數為:具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:5sccm，NH3流量控制在25± lOsccm，H2流量控制在60sccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在400秒。
[0044]第三步、取出形成a-S1:H/SiNx:H薄膜的ρ-Si襯底，放入退火爐內，升溫至450±20°C,保溫60±5分鐘,完成脫氫退火；
[0045]第四步、在N2氣氛保護下，升溫至1100±20°C，保溫60±5分鐘，完成穩態高溫退火，得到超薄納米矽/鑲嵌矽量子點的氮化矽薄膜；
[0046]第五步、在鑲嵌娃量子點的氮化娃薄膜表面蒸鍍AZO薄膜，其厚度為200±50nm,同時，在ρ-Si襯底底部蒸鍍Al膜，其厚度為600 土 lOOnm，形成電極，製成發光器件。
[0047]實施例3:
[0048]本實施例通過以下步驟提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率:
[0049]第一步、利用平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，通入SiH4和H2氣體，在P-Si襯底上澱積20nm厚度的含氫非晶矽(a_S1:H)薄膜；具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:1.5sccm，H2流量控制在lOsccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在300秒。
[0050]第二步、形成a-S1: H薄膜後，通入SiH4、NH3和H2氣體，在a_S1: H薄膜上，澱積50nm厚的氮化矽(SiNx:H)薄膜作為發光有源層；具體的設備控制參數為:具體的設備控制參數為:射頻源功率30W，溫度:250±10°C，SiH4流量:5sccm，NH3流量控制在25± lOsccm，H2流量控制在60sccm，氣壓控制在60Pa，澱積時間控制在400秒。
[0051]第三步、取出形成a-S1:H/SiNx:H薄膜的ρ-Si襯底，放入退火爐內，升溫至450±20°C,保溫60±5分鐘,完成脫氫退火；
[0052]第四步、在N2氣氛保護下，升溫至1100±20°C，保溫60±5分鐘，完成穩態高溫退火，得到超薄納米矽/鑲嵌矽量子點的氮化矽薄膜；
[0053]第五步、在鑲嵌矽量子點的氮化矽薄膜表面蒸鍍AZO薄膜，其厚度為200±50nm，同時，在P-Si襯底底部蒸鍍Al膜，其厚度為600 土 lOOnm，形成電極，製成發光器件。
[0054]除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效形成的技術方案，例如適當改變氮化矽發光層的生長條件等，均落在本發明要求的保護範圍。
【權利要求】
1.提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件，包括金屬電極、P-Si空穴注入層、SiNx發光有源層和AZO薄膜，其特徵在於，在所述ρ-Si空穴注入層與SiNx發光有源層之間還有一層超薄納米晶體矽層作為空穴阻擋層。
2.根據權利要求1所述的提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件，其特徵在於，所述超薄納米晶體娃層的厚度為5nm-25nm。
3.根據權利要求1或2所述的提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件，其特徵在於，所述SiNx發光有源層中鑲嵌有娃量子點,娃量子點尺寸2-5nm。
4.製備如權利要求1所述提高氮化矽基薄膜發光二極體發光效率的器件的方法，其特徵在於，包括以下步驟: a)利用平行板電容型射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，通入SiH4和H2氣體，在P-Si襯底上澱積超薄非晶矽薄膜，即a-S1:H薄膜； b)形成非晶矽薄膜後，通入SiH4、NH3和H2氣體，在a-S1:H薄膜上，澱積氮化矽薄膜，即a-S1:H/SiNx:H 薄膜； c)取出形成a-S1:H/SiNx:H薄膜的ρ-Si襯底，放入退火爐內，升溫至450±20°C，保溫60±5分鐘,完成脫氫退火； d)在隊氣氛保護下，升溫至1100±20°C，保溫60±5分鐘，完成穩態高溫退火，得到超薄納米娃層/氮化娃薄膜； e)利用熱蒸發方法在氮化矽薄膜表面蒸鍍AZO薄膜，其厚度為200±50nm，同時，在ρ-Si襯底底部蒸鍍金屬膜，形成電極。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟a)中，溫度控制在250± 10°C，SiH4流量控制在1.5±0.5sccm, H2流量控制在10土 5sccm，氣壓控制在60土5Pa，澱積時間控制在200 ± 125秒。
6.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟b)中，溫度控制在250 ± 10 °C，SiH4流量控制在5 土 3sccm，NH3流量控制在25 土 lOsccm，H2流量控制在80±20sccm，氣壓控制在60±5Pa，澱積時間控制在400 ±50秒。
7.根據權利要求4或5所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟d)中，超薄納米矽層的厚度為5nm_25nm。
8.根據權利要求4或6所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟d)中，形成的氮化矽薄膜為鑲嵌矽量子點的氮化矽薄膜。
9.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟e)中，金屬膜為Al膜，其厚度為 600±100nm。
【文檔編號】H01L33/06GK103474541SQ201310459580
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】黃銳, 林澤文, 林圳旭, 宋超, 王祥, 郭豔青, 宋捷 申請人:韓山師範學院