專利名稱：含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電致發(fā)光器件的制備方法，特別涉及一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法。
背景技術：
隨著超大規(guī)模集成電路和硅基電子學的發(fā)展，芯片的集成度越來越高。當代的計算機、自動控制、信息處理、通信等各個領域的發(fā)展都要求越來越快的集成電路芯片運算速度。但是隨著集成電路工藝尺寸的急劇減小，由于物理效應的因素，僅僅依靠改善單個晶 體管來提高集成電路芯片的運算速度即將要達到極限。同時，晶體管之間信號傳遞的延遲，也制約著芯片運算速度。這種信號傳遞延遲是由連接晶體管的金屬材料所導致的布線電容造成的。隨著集成度的增加，金屬連線的長度越長，信號的傳輸延遲越大。所以，為了增加集成電路芯片的運算速度，需要減少晶體管之間信號傳遞的延遲。而采用光子作為信號傳輸?shù)妮d體，可以避免信號傳遞延遲的問題。而隨著對硅基材料的研究進展和硅基器件工藝的發(fā)展，硅基電子產(chǎn)業(yè)已然非常成熟。同時，硅基電子產(chǎn)品的性價比非常高。所以，要解決集成電路芯片運算速度的瓶頸問題，需要實現(xiàn)與現(xiàn)有硅集成電路工藝兼容的硅基高效發(fā)光器件。提高硅基材料的發(fā)光效率，一直是人們所追求的目標。由于硅是間接帶隙材料，導帶和價帶的極值在動量空間上不是同一點，根據(jù)動量守恒原理，硅中導帶底的電子與價帶頂?shù)目昭ǖ膹秃媳仨毥柚诼曌拥膮⑴c，它是一個多體躍遷過程，幾率遠比直接帶隙的化合物材料小得多，所以硅材料的帶間復合發(fā)光的效率很低。隨著局域表面等離子共振金屬納米結構的理論和應用不斷深入的研究，對硅基發(fā)光材料的廣泛探索，基于硅基的電致發(fā)光器件制備方法和性能測試也逐漸趨于成熟與完善。利用金屬納米顆粒的表面等離子共振效應可以提高納米晶硅的自發(fā)輻射效率，增強硅基材料的發(fā)光效率。通過對材料的選擇，結構參數(shù)的調(diào)整，能夠良好的調(diào)制發(fā)光增強所在頻段的范圍。從而，利用金屬納米顆粒的局域表面等離子效應提高器件電致發(fā)光的耦合輸出的方法，對于提高電致發(fā)光器件的效率有著越來越重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法。其核心是在器件結構的隔離層中加入Au、Ag等金屬納米顆粒，利用金屬納米顆粒的局域等離子效應(LSP)與有源層中電磁場相互作用，增強器件的發(fā)光效率。它的優(yōu)點在于，器件結構簡單，開啟電壓低，場致發(fā)光強度增強明顯，易于實現(xiàn)和推廣。本發(fā)明是一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，包括如下步驟步驟I :利用等離子體增強化學氣相沉積法，在硅襯底晶片上生長富硅氮化硅層；步驟2 :采用高溫退火的方法，使富硅氮化硅層中的富硅形成納米晶硅，該富硅氮化硅層變?yōu)楦缓{米晶硅的氮化硅層；步驟3 :通過曝光、顯影、定影定義發(fā)光區(qū)域，通過干法刻蝕形成有源區(qū)域；步驟4 :通過電子束蒸發(fā)，在氮化硅層上面沉積金或者銀薄膜，通過高溫退火形成金屬納米顆粒，形成基片；步驟5 :通過等離子體增強化學氣相沉積法或磁控濺射的方法，在基片上制備隔離層；步驟6 :通過光刻及濕法刻蝕的方法，在有源層區(qū)域上的隔離層上開電極窗口 ；步驟7 :通過光刻、金屬熱蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電極窗口內(nèi)制備陰極電極，在硅襯底晶片的背面制備陽極電極；步驟8 :通過快速退火，使陰極電極和陽極電極與源層區(qū)域和硅襯底晶片之間形 成歐姆接觸，完成制備。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細的描述，其中圖I為本發(fā)明的制備流程圖；圖2為娃襯底晶片上生長富娃氣化娃不意圖；圖3為退火后形成納米晶娃的不意圖；圖4為通過干法刻蝕形成有源區(qū)域的示意圖；圖5為制備金屬顆粒示意圖；圖6為制備隔離層示意圖；圖7為開電極窗口示意圖；圖8為制備電極示意圖。
具體實施例方式請參閱圖I，并結合參閱圖2-圖8所示，本發(fā)明提供一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，包括如下步驟步驟I :利用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)，在硅襯底晶片I上生長富硅氮化硅層2 (參閱圖2)，所述硅襯底晶片I為P型硅襯底晶片，厚度為400-600 μ m，電阻率為1-10 Ω ·πι，晶相(100)。其中通過控制經(jīng)過氫氣稀釋的高純硅烷和氮氣的氣流量的配比以及溫度等條件，制備不同含氮量、不同折射率的富硅氮化硅非晶薄膜；步驟2 :采用高溫退火的方法，退火溫度為650_750°C，退火時間為10_20分鐘，使富硅氮化硅層2中的富硅形成納米晶硅，該富硅氮化硅層2變?yōu)楦缓{米晶硅的氮化硅層21 (參閱圖3)，其中所包含的納米晶硅作為發(fā)光的光源。該氮化硅層21的厚度為30nm-100nm，折射率I. 9-2. 6。通過控制氮化硅層21的折射率，可以調(diào)節(jié)器件的發(fā)光增強的光譜，即隨著該氮化硅層21的折射率的增加，發(fā)光增強的光譜紅移；步驟3 :通過曝光、顯影、定影定義發(fā)光區(qū)域，通過干法刻蝕形成有源區(qū)域22 (參閱圖4)。該有源區(qū)域22面積為O. 04-4mm2 ；步驟4 :通過電子束蒸發(fā)，在氮化硅層21上面沉積金或者銀薄膜，通過高溫退火形成金屬納米顆粒3 (參閱圖5)，形成基片，退火溫度為500-650°C，要求低于步驟2中富硅氮化硅層I的退火溫度，退火時間為2-4小時。所述的金屬納米顆粒3的材料可以為金、銀或者它們的組合。所述的金屬納米顆粒3中的金屬納米顆粒直徑為2nm-12nm。利用金屬納米顆粒3的局域等離子體(LSP)效應，可以增強發(fā)光效率。通過控制金屬納米顆粒3的直徑，可以調(diào)節(jié)器件的發(fā)光增強的光譜；步驟5 :通過等離子體增強化學氣相沉積法或磁控濺射的方法，在基片上制備隔離層4 (參閱圖6)，該隔離層4的材料為二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)或二氧化鈦(TiO2)等，厚度為20-30nm，其厚度需要能夠完全覆蓋金屬納米顆粒，同時盡量減小隔離層4的厚度以降低對出光的影響。通過選擇不同的材料，調(diào)整該隔離層4的折射率，調(diào)節(jié)器件的發(fā)光增強的光譜，即隨著該隔離層4的折射率的增加，發(fā)光增強的光譜紅移；步驟6 :通過光刻及濕法刻蝕的方法，在有源層區(qū)域22上的隔離層4上開電極窗口 23(參閱圖7)，所述電極窗口 23為回字形狀，其面積為O. 03-3mm2。該電極窗口中間留出沒有金屬的出光區(qū)域，其面積為O. 01-lmm2。該電極窗口用于陰極電極5與有源區(qū)域22之 間的電流注入；步驟7 :通過光刻、金屬熱蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電極窗口 23內(nèi)制備陰極電極5，直接與有源區(qū)域22接觸，在硅襯底晶片I的背面制備陽極電極6，直接與硅襯底晶片I接觸(參閱圖8)。該陰極電極5和陽極電極6的材料相同為鋁；步驟8 :通過快速退火，使陰極電極5和陽極電極6分別與源層區(qū)域22和硅襯底晶片I之間形成歐姆接觸(參閱圖8)，從而消除肖特基勢壘，完成制備。盡管參照其特定的實施例詳細地展示和描述了本發(fā)明，但還應該指出，對于本專業(yè)領域的技術人員來說，可對其形式和細節(jié)進行各種改變，而不脫離所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，包括如下步驟 步驟I:利用等離子體增強化學氣相沉積法，在硅襯底晶片上生長富硅氮化硅層； 步驟2 :采用高溫退火的方法，使富硅氮化硅層中的富硅形成納米晶硅，該富硅氮化硅層變?yōu)楦缓{米晶硅的氮化硅層； 步驟3 :通過曝光、顯影、定影定義發(fā)光區(qū)域，通過干法刻蝕形成有源區(qū)域； 步驟4:通過電子束蒸發(fā)，在氮化硅層上面沉積金或者銀薄膜，通過高溫退火形成金屬納米顆粒，形成基片； 步驟5 :通過等離子體增強化學氣相沉積法或磁控濺射的方法，在基片上制備隔離層； 步驟6 :通過光刻及濕法刻蝕的方法，在有源層區(qū)域上的隔離層上開電極窗口 ； 步驟7 :通過光刻、金屬熱蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電極窗口內(nèi)制備陰極電極，在硅襯底晶片的背面制備陽極電極； 步驟8 :通過快速退火，使陰極電極和陽極電極與源層區(qū)域和硅襯底晶片之間形成歐姆接觸，完成制備。
2.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中硅襯底晶片為P型硅襯底晶片，厚度為400-600 μ m，電阻率為1-10 Ω · m，晶相(100)。
3.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中氮化硅層的厚度為30nm-100nm，折射率I. 9-2. 6。
4.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中所述的金屬納米顆粒中的金屬納米顆粒直徑為2nm-12nm。
5.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中隔離層的材料為氮化硅、氧化硅、氧化釩和氧化錫，厚度為20-30nm。
6.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中電極窗口為回字形狀，其寬度為O. 1-0. 6，用于陰極電極與有源區(qū)域之間的電流注入。
7.根據(jù)權利要求I所述的含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，其中陰極電極和陽極電極的材料相同為鋁。
全文摘要
一種含有金屬納米顆粒的硅基電致發(fā)光器件的制備方法，包括在硅襯底晶片上生長富硅氮化硅層；采用高溫退火的方法，使富硅氮化硅層中的富硅形成納米晶硅，該富硅氮化硅層變?yōu)楦缓{米晶硅的氮化硅層；定義發(fā)光區(qū)域，通過干法刻蝕形成有源區(qū)域；通過電子束蒸發(fā)，在氮化硅層上面沉積金或者銀薄膜，通過高溫退火形成金屬納米顆粒，形成基片；通過等離子體增強化學氣相沉積法或磁控濺射的方法，在基片上制備隔離層；通過光刻及濕法刻蝕的方法，在有源層區(qū)域上的隔離層上開電極窗口；通過光刻、金屬熱蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電極窗口內(nèi)制備陰極電極，在硅襯底晶片的背面制備陽極電極；通過快速退火，使陰極電極和陽極電極與源層區(qū)域和硅襯底晶片之間形成歐姆接觸，完成制備。
文檔編號H01L33/00GK102956767SQ20121043698
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權日2012年11月6日
發(fā)明者王春霞, 高洪生, 闞強, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所