[发明专利]金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子与光电子技术领域，特别涉及一种高光电转换效率的硅基LED。本发明利用优化的器件结构和二维金属光子晶体的等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)模式耦合增强硅基发光二极管发光效率。

背景技术

近年来，利用金属介质纳米粒子结构在器件中的等离子体激元耦合实现发光增强，是目前国内外非常重视的一种增强发光器件性能的有效方法。

2006年，澳大利亚的Pillai研究小组在具有银纳米粒子层的Silicon-on-insulator(SOI)LED上，通过激发银纳米粒子的SPP，可使发光峰为900nm的电致发光效率提高8倍。

2010年，R.J.Walters等人在Nature Material发表了硅基电驱动表面等离子体源，该器件采用金属-绝缘物-金属(MIM)波导结构。可以验证硅基光辐射和金属SPP模式有效耦合。该结构中金属既作为电极又可作为包层传导SPP模式，该器件制作工艺与CMOS后端工艺兼容。金属包层采用具有一定光学厚度的金薄膜，绝缘层采用含有硅量子点的半绝缘铝。当足够大的电压加在金属间的绝缘层上时，隧穿电子通过碰撞电离激发半绝缘体中的量子点。MIM波导中的绝缘介质很薄以至于不能承载光模式，受激量子点通过近场耦合进入SPP模式。

另外，Joseh等人计算了发光体的量子效率与荧光增强的关系，得出SPP耦合发光的量子效率和增强倍数与材料自身发光量子效率的关系，研究结果表明，对于自身发光较弱的材料，SPP增强的效果更加明显，这有利于SPP耦合在硅材料发光增强领域的应用。其次，影响SPP增强荧光强度的因素还包括金属的等离子共振带与发光中心荧光峰的光谱位置关系，激发光频率与金属等离子共振频率间的关系等。再次，自发辐射的增强或减弱还受耦合结构和耦合方式的影响。SPP中常见的结构为具有纳米结构的金属薄膜或是金属岛膜，但是由于金属膜的精细结构(如金属颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒体积分数、颗粒组成和颗粒结构等因素)的不同，其等离子共振频率、SPP的吸收和散射等性质差别较大，与发光中心作用后结果也不尽相同。

综合所述，SPP用于增强硅基发光器件的发光效率受许多因素的影响，这些因素相互影响和制约。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于CMOS工艺的硅基高效电致发光二极管及其制作方法。本发明利用金属光子晶体的SPP泄露模式近场局域耦合增强器件发光效率，提高了硅基CMOS器件发光强度，且器件发光面积集中，具有较高的光功率密度，有利于器件集成。本发明的技术方案如下：

一种金属等离子体激元耦合发光增强硅基LED制作方法，包括下面步骤：

(1)在P型硅衬底上利用离子注入工艺注入N阱；

(2)在N阱上注入尖端角度在75°至90°之间的P⁺楔形结构，形成P⁺N阱发光结，发光区域即在P⁺楔形结构尖端处及其附近；在距P⁺楔形结构尖端200-300nm处注入N⁺楔形结构；

(3)在发光区域上表面利用栅氧化工艺制备第一层SiO₂，其厚度为20-40nm；

(4)在第一层SiO₂上，利用电子束蒸发工艺，制备Ag，其厚度为30-50nm；

(5)将Ag层蚀刻为金属Ag光子晶体结构；

(6)开P电极和N电极孔，制作P电极和N电极。

作为优选实施方式，第(5)步中，依次包括下列步骤：

1)在Ag的表面，利用等离子体增强化学气相沉积工艺制备第二层SiO₂，；

2)在第二层SiO₂的表面，涂覆光刻胶；

3)光刻光子晶体掩膜板，采用氧等离子体打胶，制备周期为700nm，直径为500nm的正方晶格光子晶体光刻胶掩膜；

4)以光刻胶为掩膜，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀SiO₂；

5)去除光刻胶，得到SiO₂光子晶体掩膜；

6)利用SiO₂光子晶体掩膜，把Ag层刻蚀为光子晶体图形；

7)BOE溶液去除第二层SiO₂。

步骤(6)中，在P⁺和N⁺上方光刻电极孔，利用电子束蒸发和金属剥离工艺分别制作P电极和N电极。