[发明专利]提高氮化硅基薄膜发光二极管发光效率的器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高氮化硅基薄膜发光二极管发光效率的器件及其制备方法，尤其是一种利用超薄纳米硅作为空穴阻挡层，抑制发光器件中空穴载流子的过多注入，从而促进电子、空穴的平衡注入，提高器件的发光效率。属于半导体发光器件技术领域。

背景技术

基于半导体硅基材料的光电子集成是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。而硅基光源是实现Si单片光电集成最核心也是最基本的要素之一，这不仅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研究意义。

硅基材料的高效发光是实现光电子集成的关键，而硅基低维纳米结构是获得高效发光的重要途径。近十几年来，许多实验和理论研究工作表明，当Si材料的尺寸减小到几纳米(与电子的德布罗意波长可相比拟)时，呈现出明显的量子尺寸效应，极大的改善其光学特性、发光效率。因此，基于这种物理特性的硅纳米结构的构筑备受广泛关注。目前国际基于硅纳米结构的发光材料主要集中在Si-SiOx和Si-SiNx体系。对于Si-SiOx发光系统，尽管已实现了高效率的光荧光发射和光增益，但由于SiO₂高的势垒，不利于载流子的注入，其电致发光效率仍然很低、稳定性差。近年来，SiNx由于具有比SiO_x低的载流子注入势垒，有利于提高发光器件的载流子注入效率而备受关注。然而，由于纳米硅的导带和价带相对于Si₃N₄的导带和价带的能带偏移不同，价带间的能带偏移值（1.2eV）小于导带间的偏移值（2.0eV），这导致空穴比电子更容易越过势垒注入到纳米硅中，造成电子空穴的非平衡注入，进而降低纳米硅等发光中心的载流子辐射复合几率，从而降低器件发光效率。事实上，在常见的氮化硅基发光二极管器件结构（ITO(AZO)/SiN_x/p-Si/Al）中，p-Si与SiN_x之间的空穴注入势垒要明显小于ITO(AZO)与SiN_x的电子注入势垒，这无疑进一步加剧了器件电子空穴的非平衡注入，进一步降低器件发光效率。

国内外的众多研究小组提出的改善氮化硅基发光二极管的方法主要是通过选用钙等低功函数金属作为器件的阴极，来减低电子的注入势垒，进而提高电子的注入效率（Appl.Phys.Lett.,vol.86,pp.193506,2005.和Appl.Phys.Lett.,vol.89,pp.063509,2006），但采用金属代替ITO(AZO)作为阴极，不利于光的输出，降低了光的面发射效率，这成为提高器件发光效率的绊脚石。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于：提出一种能提高氮化硅基薄膜发光二极管发光效率的器件，改善发光器件中电子空穴的非平衡注入。本发明的另外一个目的是提供一种制备该器件的方法。

本发明的器件采用的技术方案如下：

提高氮化硅基薄膜发光二极管发光效率的器件，包括金属电极、p-Si空穴注入层、SiN_x发光有源层和AZO薄膜，在所述p-Si空穴注入层与SiN_x发光有源层之间还有一层超薄纳米晶体硅层作为空穴阻挡层。

所述超薄纳米晶体硅层的厚度为5nm-25nm。

进一步地，所述SiN_x发光有源层中镶嵌有硅量子点，硅量子点尺寸2-5nm。

本发明制备上述器件的方法包括以下步骤：

第一步、利用平行板电容型射频等离子体增强化学气相沉积方法，通入SiH₄和H₂气体，在p-Si衬底上淀积超薄含氢非晶硅（a-Si:H）薄膜；温度控制在250±10℃，SiH₄流量控制在1.5±0.5sccm,H₂流量控制在10±5sccm，气压控制在60±5Pa，淀积时间控制在200±125秒；

第二步、形成a-Si:H薄膜后，通入SiH₄、NH₃和H₂气体，在a-Si:H薄膜上，淀积氮化硅（SiN_x:H）薄膜；温度控制在250±10℃，SiH₄流量控制在5±3sccm,NH₃流量控制在25±10sccm，H₂流量控制在80±20sccm，气压控制在60±5Pa，淀积时间控制在400±50秒；