[发明专利]制造包括纳米结构的PN结的发光二极管的方法及这样获得的二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造包括由第一掺杂剂掺杂的半导体基板的纳米结构的pn结发光二极管的方法。

本发明也涉及一种由该方法得到的纳米结构的pn结发光二极管。

背景技术

硅是在微电子工业中最广泛使用的半导体材料，用硅基板制作光电集成电路将是特别地有利，尤其是降低了这种集成电路的制造成本。这使得从硅技术得到的技术知识能够用于光电应用的进步。然而，体单晶硅的间接带隙使得后者不能成为有效的发光体和阻止了其用在集成光源，特别作为激光器的激光介质。

已经设想比如使用硅纳米晶，Si/SiO₂超晶格，多孔硅或掺铒硅的不同方法以改善硅的发光。在硅带隙的有效电致发光已经能够在使用这些方法的硅基二极管上观测但发光效率保持低的。而且，这些方法都不能实现电流注入以用于获得在硅中得到受激发射所必要的粒子数反转。

在文章“Stimulated emission in a nanostructured silicon pn junction diodeusing current injection”(Applied Physics Letters，2004，Vol 84，No 12，Pages2163-2165)中由M.J.Chen等人提出另一种方法，其中使用包括多个具有约一纳米的尺度的多个pn结的体硅基二极管。这种二极管被称为纳米结构的pn结二极管。

这样，M.J.Chen等人通过p型掺杂剂在n型掺杂的硅基板内的非均匀扩散获得了纳米结构的pn结二极管。含有硼颗粒、氧化硅纳米颗粒和溶剂的溶液通过旋涂沉积在由n型掺杂剂掺杂的硅基板的自由表面上。该沉积技术也称为旋涂掺杂。

然后，一定数量的硼和氧化硅吸附在基板的表面。然后在约1000℃下进行退火以实现由从基板的自由表面下至数纳米深度的热扩散的局部硼掺杂。掺杂实际上是局部的，因为在基板的自由表面上的SiO₂颗粒的存在，局部地阻挡了硼的热扩散并防止均匀的硼扩散。这引起在n型掺杂的硅基板内纳米尺寸的多个p⁺掺杂的硅区域，并因此形成纳米pn结。然后，在基板中蚀刻波导，且电接触布置在波导的周边以经由不同的pn结进行电流注入。M.J.Chen等人在这种纳米结构的pn结二极管中通过电流注入，以这种方式成功地测量了接近硅带隙的能量的受激发射。

虽然纳米结构的硅pn结二极管能用作集成光源，然而它的制作方法依然难以实施。掺杂剂的非均匀扩散也难以控制，这使得p⁺掺杂区域的形成和尺寸难以控制，并因此使得pn结的形成和尺寸难以控制。这种方法实际上由于扩散能产生的p+掺杂剂的浓度梯度并因此影响pn结的突变特性。而且，非均匀扩散步骤和退火步骤一般在分离的腔中进行，这能使得当从一个腔到另一个腔时二极管污染问题的增加。另外，在约1000℃一般进行30分钟的时间的退火步骤需要大的热预算。

发明内容

本发明的一个目标是提供制作弥补现有技术的缺点的纳米结构的pn结发光二极管的方法。

根据本发明，本目标由以下的事实获得，即该方法连续地至少包括：

-沉积步骤，在覆盖所述基板的介电薄层的表面上沉积由与第一掺杂剂的类型相反的类型的第二掺杂剂掺杂的半导体材料形成的非晶薄膜。

-热处理步骤，设计为在介电薄层中并由非晶薄膜形成多个纳米尺寸的由第二掺杂剂掺杂的半导体材料制成的点，所述点与基板有外延关系以形成多个纳米尺寸的pn结。

-以及额外薄层的形成步骤，从位于介电层中的点通过外延生长在介电薄层的表面上形成。

根据本发明的发展，非晶薄膜的沉积通过分子束外延进行。

根据优选实施例，热处理步骤包括设计为在介电薄层上并从非晶薄膜形成多个纳米尺寸的多晶团簇的第一阶段，和设计为使多个多晶团簇转变为位于介电薄层中并与基板有外延关系的多个点的跟随的第二阶段。

根据本发明的具体的实施例，热处理步骤的第一阶段通过增加温度升至约350℃的第一温度阈值来进行，然后在所述第一阈值保持该温度持续预定的第一时间。热处理步骤的第二阶段优选地通过渐进地增加温度升至高于第一阈值的第二温度阈值，然后在所述第二阈值保持该温度持续预定的第二时间。

本发明的另外一个目标是提供纳米结构的pn结发光二极管，其能容易地制造并且可靠。

根据本发明，这个另外的目标通过以下事实获得，即该发光二极管至少包括：

-半导体基板，由第一掺杂剂掺杂并由介电薄层覆盖，