[发明专利]可控非对称掺杂势垒纳米硅基发光器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基发光器件，尤其是一种基于可控非对称掺杂势垒量子阱结构的纳米硅基发光器件，同时还涉及其制备方法，属于纳米电子和纳米光电子器件材料技术领域。

背景技术

硅基微电子技术已经成为现代电子技术的基础，创造了当今飞速发展的信息时代，并且引起了社会生活的巨大变革。但是随着微电子器件集成度的不断提高，现有的器件将达到其物理极限，面对着物理机制、时延、工艺等诸多新的挑战。在上述背景下，人们的目光从电子转向了光子，尝试用光子作为信息的载体。然而在光电集成领域，晶体硅(c-Si)材料本身却不是很适合用来制作光电器件：它的载流子迁移率低，且为间接带隙半导体。

目前，改进硅特性的方法可分为两类：(1)杂质和缺陷工程，即将等电子杂质或稀土金属离子掺入到硅材料中，作为复合中心；(2)能带工程，通过降低维数构造硅材料，这种硅材料的光电特性可人为“剪裁”。近十几年来，利用能带工程制备的硅基低维结构不断涌现，如多孔硅、纳米硅、硅量子线、SiGe应变层异质结以及硅氧化合物低维体系等均属这类材料。

对于硅氧化合物低维体系，其代表为镶嵌纳米硅(nc-Si)晶粒的二氧化硅(SiO₂)或纳米硅(nc-Si)/二氧化硅量子阱结构，以此为发光有源层的硅基发光器件，其优点为纳米硅表面稳定性和刚性比多孔硅好得多，而且光致发光效率高。这是因为二氧化硅的带隙大(～9eV)，它同硅构成异质结构后，导带和价带的能带偏移分别达到3.15eV和4.55eV(如图1所示)，因而SiO₂/c-Si/SiO₂组成的量子阱对电子和空穴都有很强的量子限制效应，激子的束缚作用强，有利于提高发光效率。其次，SiO₂是Si表面的一种理想的钝化膜，制作工艺和质量控制都非常成熟可靠，与当前微电子工艺相兼容。而且，近年来硅氧化合物低维体系的光致发光研究取得重大进展，令人鼓舞的是2000年L.Pavesi研究组从实验上验证了二氧化硅中镶嵌纳米硅在短波激光泵浦下的光增益，这为硅氧化合物低维体系电泵浦下的光增益以及未来光电集成的首选光源——电泵浦全硅基激光器的实现提出了可能。

然而，总体来说，目前硅氧化合物低维体系的电致发光器件进展较慢，主要问题为电致发光效率低、稳定性差。这有着多方面的原因，除了因成膜质量的影响载流子的辐射复合效率较低外，纳米硅密度和载流子的注入效率及其均衡性也有着很大的影响。因为SiO₂同单晶硅构成量子阱中能带偏移分别达到3.15eV和4.55eV，对于载流子这是较高的势垒，更严重的是导带和价带的能带偏移不同，使得电子比空穴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，大大降低纳米硅或与其相关的发光中心的载流子的辐射复合效率和器件的发光效率。国内外的众多研究小组提出的提高注入效率的方法可包括：(1)改善电极与发光有源层之间的界面，降低接触电阻，提高载流子注入发光有源层的效率。(2)选用钙(Ca)等低功函数金属作为器件阴极，选用金(Au)、镍(Ni)等高功函数金属作为阳极，降低电极与发光有源层的隧穿势垒，提高了注入效率([2]Appl.Phys.Lett.2005，86：193506)，(3)在衬底表面构造金字塔型结构，使表面粗糙化，该结构形如尖端电极，增强了隧穿，有利于载流子从其注入发光有源层，提高了电流注入效率([3]Appl.Phys.Lett.2006，89：093126)。上述方法都是提高了载流子从电极到发光有源层的注入效率，但是，据申请人了解，目前还没有有效地解决因导带和价带的能带偏移不同而造成的载流子注入不平衡问题的方法。如何提高空穴的注入效率使其能与电子的注入效率相平衡仍是个亟待解决的技术难题，对提高器件的发光效率具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对以上现有技术存在的问题，兼用能带和掺杂工程，提出一种可控非对称掺杂势垒纳米硅基发光器件(例如可控的硼掺杂非晶碳化硅/纳米硅/磷掺杂非晶二氧化硅或硼掺杂非晶氮化硅/纳米硅/磷掺杂非晶二氧化硅以及其它类似结构)，从而提高基于此结构的纳米硅基发光器件的载流子(电子与空穴)平衡注入的效率和辐射发光的效率。同时给出与当前微电子工艺相兼容的制备方法，从而满足科技发展对于硅光电子器件的需求。