[发明专利]提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及光致发光器件及制备方法.尤其是提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法。

二、背景技术

基于半导体硅基材料的纳电子和光电子集成是21世纪新一代半导体器件的核心，也是现代信息技术的硬件基础。能否实现四Si单片光电集成是当前材料科学和微电子学领域中的重大研究课题，也是该学科的国际研究前沿，具有重要的基础和应用的意义。

近十几年来，在众多制备硅基发光器件的方法中，可归结为3个主要途径，(1)以多孔硅为有源层的发光器件([1]N.Koshida，et.al. App1.Phys.Lett.60 347(1992))。(2)以镶嵌纳米硅晶粒的二氧化硅及硅/二氧化硅超晶格为有源层的硅基发光器件([2]C.W.Liu，et.al，Appl.Phys.Lett.74，2182(1999))。(3)以硅基氮化物为有源层的发光器件([3]K.S.Cho，et.al.Appl.Phys.Lett.86 071909(2005))。目前硅基电致发光器件存在的问题主要是：发光强度弱，发光效率低，稳定性差。为此，众多研究小组不断地致力于改善硅基器件的光电性能，提高器件发光效率。当前，在众多的提高硅基电致发光效率的方法中，可归结为3个主要途径，(1)改善器件有源层的发光特性([4]N.-M.Park，et.al.Appl.Phys.Lett.78 2575(2001))。(2)选用Ca/Ag、Ni/Au等低功函数合金金属作为器件阴极，降低金属电极与发光有源层之间的隧穿势垒，使电子更加有效地注入到发光有源层中，提高器件的发光效率([5]L.-Y.Chen，et.al.Appl.Phys.Lett.86 193506(2005)，B.-H.Kim，et.al.Appl.Phys.Lett.89 063509(2006))。(3)改善电极与发光有源层之间的界面性质，降低接触电阻，提高载流子注入效率，进而提高器件发光效率。

国际评论指出，硅基的单片光电集成的实现及实用化必须要求发光器件具有较高的电致发光效率、高的稳定性、低的成本，且与当前微电子工艺相兼容。因而寻找一种具有上述特征的新型硅基薄膜发光材料和器件制备新技术，并有可能将其应用于未来的光电子集成是本发明的出发点。

本申请人的专利申请CN200710020068.6掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管及制备方法是在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用氧等离子体源氧化在室温下生长的富氮硅基氮化物薄膜，经氧等离子体氧化形成富氮的掺氧非晶态硅基氮化物(a-SiN_x)薄膜，并以其作为有源层，制备黄绿波段发光二极管。在室温下生长的硅基氮化物，其发光原理为在掺氧硅基氮化物薄膜存在氧诱导的Si-O-N发光中心。所述掺氧硅基氮化物薄膜黄绿波段发光二极管，在电阻率为4～20Ωcm的P型单晶硅片或ITO玻璃衬底上淀积a-SiNx薄膜，薄膜厚度在40～100nm之间，在a-SiN_x薄膜上再镀有薄膜金属电极；P型单晶硅片的另一面镀有另一电极，ITO本身构成另一电极。对于以ITO为阳极的硅基发光器件，直接在有源层上蒸镀一层1μm厚的金属铝(Al)薄膜作为阴极，Al电极为直径为3mm的圆斑，其中以ITO为阳极的一端为光出射端。

但上述利用氧等离子体源氧化在室温下生长的富氮硅基氮化物，形成富氮的掺氧硅基氮化物，并以其作为有源层来制备电致发光器件。该发光器件在室温弱光下能肉眼看到其发出的较强的黄绿光，并且其工作电流密度低，仅为110-130mA/cm²，甚至远小于目前国际上单纯采用a-SiNx作为有源层的发光器件的开启电流密度([6]R.Huang，K.J.Chen，et.al. Appl.Phys.Lett.90 093515(2007))。尽管该器件效率较高，但离真正的实用化仍有一定的距离，仍需进一步增强载流子的注入效率，提高其光发射强度及发光效率。

三、发明内容

本发明目的是：从方法和实施工艺两方面提出提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法：尤其是在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中，利用不同硅氮组份比的掺氧氮化硅具有不同光学带隙原理，通过调制硅氮组份比，在低温下制备具有较小光学带隙性质的富硅掺氧氮化硅薄膜，以其作为发光有源层来制备电致发光器件。利用该方法能有效的降低金属电极与有源层间的遂穿势垒，增强载流子的注入，进一步提高器件的发光效率。

提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法，