一种掺杂硅量子点发光二极管器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂硅量子点发光二极管，包括硅衬底，沉积银纳米颗粒层，以及在银纳米颗粒结构上沉积多层分布均匀且包含掺杂硅量子点的SiNx薄膜，透明导电薄膜AZO层以及Si3N4钝化层。还公开了该发光二极管的制备方法，利用掺杂硅量子点-SiNx薄膜的电致发光特性，构成发光二极管的发光有源层；利用掺杂可以钝化量子点，同时掺杂硅量子点与硅衬底形成的p-n结增强电子空穴的辐射复合。此外，利用银纳米结构增加电致发光的强度，提高了发光器件的发光效率，且与传统的CMOS工艺兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂硅量子点发光二极管器件及其制备方法
本专利技术属于微电子及光电子
，更具体地，涉及一种掺杂硅量子点发光二极管及其制备方法。
技术介绍
以硅为基础材料的集成电路按摩尔定律以惊人的速度向前发展。与此同时，光刻的尺寸逐年呈指数下降，在降低了晶体管尺寸的同时，越来越多的晶体管被集成到一块芯片中使得电路内部的连线也越来越密，越来越细。据统计，对于复杂的芯片，其导线的互连层已经达到了12层，金属连线密度达到2222m/cm2。这将引起诸如信号的响应时间的延长，发热量增加，信号干扰越来越明显等问题，最终都严重影响到器件的性能。这一系列的问题成为集成电路向前发展不得不面对的挑战。采用光互连技术替代导线互连技术是解决以上问题很好的一个方案。光作为互连的媒质具有很多的优势：1、传输过程中信号损失小，可以降低所需的能耗；2、具有很大的信息携带量；3、不存在电阻-电容的信号延迟等问题；4、多路信号可以集中在一个路线中传播，降低了布局布线的复杂程度。然而，在硅基上实现光电互连，必须解决光源的问题，从而引导光的传输，而且这些实现工艺流程要与集成电路工艺兼容。到目前为止，符合条件的单色性符合条件的硅基光源尚在探索阶段。采用硅基和传统的发光材料形成混合光源存在以下的问题：1、在硅表面上外延砷化镓、磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族化合物会出现晶格的失配问题，产生大量的缺陷，这对于发光器件的实现是不利的。2、传统的发光材料无法很好地与现有的微电子CMOS工艺整合到一起，这对于实现光电功能的单片集成是个很大的难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种掺杂硅量子点发光二极管，目的在于提高硅量子点发光二极管的发光效率，并解决高效率电光器件与传统CMOS工艺兼容的问题。本专利技术提供了一种掺杂硅量子点发光二极管器件，包括：具有外延层的P+/P型硅衬底；在硅衬底上形成的银纳米颗粒层；在银纳米颗粒层上，由多个Si3N4层和掺杂富硅SiNx层交替沉积形成的基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层；在所述有源发光层上沉积的透明导电薄膜层；在透明导电薄膜层上生长的钝化层；在钝化层上刻蚀形成的金属电极；以及在硅衬底背面沉积形成的金属电极层。本专利技术还提供了一种制备所述发光二极管器件的方法，包括以下步骤：（1）在洁净的具有外延层的P+/P型硅衬底上沉积一层银纳米层，进行快速热退火处理形成银纳米颗粒层；（2）在银纳米颗粒层上交替沉积多层Si3N4层和掺杂富硅SiNx层，由Si3N4层之间的距离控制硅量子点的尺寸，在氩气环境下进行退火处理，析出掺杂硅量子点，形成基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层；（3）在有源发光层上沉积一层透明导电薄膜层；（4）在透明导电薄膜层上沉积一层钝化层；（5）对钝化层进行光刻处理形成正面金属电极，在硅衬底背表面沉积形成金属电极层。本专利技术具有以下有益效果：嵌入氮化硅中的硅量子点具有尺寸效应，其对应的发光波长范围在可见波长可调，控制Si3N4之间间距可制备不同颜色的发光二极管；银纳米颗粒的引入提高了发光的强度；掺杂硅量子点与硅衬底形成的p-n结增强了电子空穴的辐射复合概率；杂质磷（P）或砷(As)对量子点具有钝化作用，能够提高硅基发光器件的效率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于SiNx织构的硅量子点发光二极管的剖面结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管在正向偏压下的能带结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1示出了本专利技术实施例提供的掺杂硅量子点发光二极管的剖面结构，包括：具有外延层的P+/P型硅衬底2；在硅衬底2上形成的银纳米颗粒层3；在银纳米颗粒层3上，由多个Si3N4层4和掺杂富硅SiNx层5交替沉积形成的基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层；在所述有源发光层上沉积的透明导电薄膜层6；在透明导电薄膜层6上生长的钝化层7；在钝化层7上刻蚀形成的金属电极8；以及在硅衬底2背面沉积形成的金属电极层1。图2示出了基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管在正向偏压下的能带结构示意图，其中，电子、空穴分别由透明导电薄膜（AZO或ITO）和P型硅中注入到有源发光层，电子由导带跃迁到价带与空穴复合发光。所述SiNx织构是指富硅的氮化物，其中x的取值为0～1.33，保证在退火处理后有富余的硅能够凝析出来嵌入在氮化硅母体基质中。其中，嵌入在SiNx织构的硅量子点构成了发光器件的有源发光层。一方面，通过控制层Si3N4层层间间距来调节硅量子点尺寸，依据硅量子点具有的量子尺寸效应，可以通过改变控制层间距来实现不同发光波长的发光二极管器件；另一方面，可以改变反应气体流量来调控调节硅量子点分布密度，从而增强发光的单色性和提高发光的强度。硅量子点彼此相互独立地均匀分布在SiNx织构中，控制层可抑制硅量子点尺寸分布范围过大，硅量子点的直径在2nm到6nm之间，这有利于提高发光器件所发出光的单色性。硅量子点的密度在1×1012cm-2到1×1014cm-2之间。高密度、小尺寸的硅量子点有利于实现短波长的发光，但是发光的输出输入效率较低；由于量子尺寸效应，小密度、大尺寸的硅量子点能够提高发光的效率，然而可能导致发光器件所发的光波段处于红外区域。综合以上各方面影响因素，硅量子点尺寸和密度介于以上范围时，器件各项性能最佳。所述基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层中所掺的杂质可以是磷（P）或砷（As）其中的一种。杂质的引入可以对硅量子点起到钝化的作用，但是，杂质的引入也将导致更多缺陷的存在，这对于发光器件是不利的。在本实施例中，设置杂质的浓度PH3/SiH4或者AsH3/SiH4可以为0.05%～2%。此为，杂质磷（P）或砷(As)的引入可以与P型衬底形成P-N结结构，在正偏外加电场的作用下，也将增加电子空穴的复合，从而提高硅量子点发光器件的发光效率。透明导电薄膜层6可以采用AZO或者氧化铟锡（ITO），其厚度为10nm到15nm，电阻率为0.1～1×10-4Ωcm。采用导电率良好的透明导电薄膜可以更好地向有源发光层注入电子，从而提高基于SiNx织构的硅量子点器件的发光效率。本专利技术实施例提供的基于SiNx织构的硅量子点发光二极管中多层掺杂富硅SiNx层/Si3N4的硅量子点发光有源层是先采用等离子增强化学气相沉积技术（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）工艺交替沉积一层尺寸控制层Si3N4层和一层富硅的SiNx（x取0～1.33）层薄膜，重复15-20层。控制层Si3N4层的厚度为1-2nm。控制层厚度太薄，硅量子可以直接扩散过去，无法达到控制尺寸的效果；控制层厚度太厚，则会使得发光二极管的开启电压增大。重复的层数不宜太少，否则会导致发光的效率较低，而层数太多会增加发光器件的功耗。沉积叠层之后在氩气环境下温度为700℃～950℃下进行退火处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂硅量子点发光二极管器件，包括：具有外延层的P+/P型硅衬底（2）；在硅衬底（2）上形成的银纳米颗粒层（3）；在银纳米颗粒层（3）上，由多个Si3N4层（4）和掺杂富硅SiNx层（5）交替沉积形成的基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层；在所述有源发光层上沉积的透明导电薄膜层（6）；在透明导电薄膜层（6）上生长的钝化层（7）；在钝化层（7）上刻蚀形成的金属电极（8）；以及在硅衬底（2）背面沉积形成的金属电极层（1）。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂硅量子点发光二极管器件，包括：具有外延层的P+/P型硅衬底(2)；在硅衬底(2)上形成的银纳米颗粒层(3)，所述银纳米颗粒层(3)的厚度为30nm～40nm；在银纳米颗粒层(3)上，由多个Si3N4层(4)和掺杂富硅SiNx层(5)交替沉积形成的基于SiNx织构的掺杂硅量子点发光二极管器件有源发光层，所述有源发光层通过在氩气环境温度为700℃～950℃下进行退火处理，析出掺杂硅量子点而形成，所述有源发光层的厚度为75nm～160nm，所掺的杂质是磷(P)或砷(As)，所述硅量子点的直径在2nm～6nm，密度为1×1012cm-2～1×1014cm-2，所述SiNx织构是指富硅的氮化物，其中x的取值为0～1.33；在所述有源发光层上沉积的透明导电薄膜层(6)；在透明导电薄膜层(6)上生长的钝化层(7)；在钝化层(7)上刻蚀形成的金属电极(8)；以及在硅衬底(2)背面沉积形成的金属电极层(1)。2.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其中，所述透明导电薄膜层(6)的材料为AZO或者氧化铟锡(ITO)，厚度为10-15nm，电阻率为0.1～1×10-4Ωcm。3.根据权利要求1所述的发光二极管器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥斌，廖武刚，文西兴，郑文俊，冯枫，文杨阳，黄诗涵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：