[发明专利]一种硅基氮氧化合物薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基氮氧化合物薄膜的制备方法，主要用于电致发光器件。

背景技术

硅基激光器因其低成本且能与成熟的硅超大规模集成电路制造工艺相兼容的优异特性，成为硅基单片光电集成电路所需的重要部件。近年来，由于在非晶氮氧化硅(a-SiN_xO_y)薄膜中发现了光增益现象，因此它被认为是实现硅基激光器的最理想选择之一。

过去的大多数研究着重于探讨a-SiN_xO_y薄膜的光致发光特性，而对其电致发光器件的研究报道较少。总的来说，对其电致发光器件的研究所得的主要结果可以归纳为以下两类：一是美国北卡罗莱纳大学的Price教授研究组和日本早稻田大学的Kato教授研究组分别利用PECVD技术，在300-400℃衬底温度下制备了a-SiN_xO_y薄膜电致发光器件，但是需经过900℃以上的高温退火后才会探测到器件的发光，并且未对其发光效率进行报道；二是南京大学固体微结构物理国家重点实验室的陈坤基教授研究组在室温下利用PECVD设备制备出发光在黄绿波段的掺氧氮化硅(a-SiN:O)薄膜电致发光器件，并通过调节薄膜中硅原子和氮原子的比例，使器件发光效率提高了3倍以上。

存在的缺陷和不足主要体现在：1)较高温度下制备的薄膜器件需要的高温退火工艺步骤增加了器件制造的成本；2)低温下制备的薄膜结构疏松，不致密，不能经受400℃以上退火，所以电致发光器件加压后的漏电流很大，发光效率仍然较低，不能满足应用的需求。

造成其发光效率低的原因主要有：1)a-SiN_xO_y薄膜属于绝缘材料，本身电阻较大。以它们作为发光有源层构造的光发射器件，通过电极注入电子和空穴比较困难；2)在较高的温度下，a-SiN_xO_y薄膜内部极易产生非辐射复合缺陷，严重影响薄膜的质量和发光性能；3)a-SiN_xO_y薄膜的折射率大于空气的折射率，从而造成了发光薄膜内部产生的光发射只有小部分透射出来，光萃取效率较低。

发明内容

本发明针对现有的技术上问题提出了一种制备a-SiN_xO_y薄膜的方法，在较低的温度下以大氢稀释方法在室温下淀积a-SiN_xO_y薄膜，降低了薄膜中的非辐射复合缺陷，从而降低其加压后的漏电流，提高其发光的外量子效率，使其与同类薄膜电致发光器件相比发光效率有数量级的增强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硅基氮氧化合物薄膜的制备方法，包括以下步骤：

a)将表面洁净的衬底装入等离子体增强化学气相淀积(PECVD)设备的反应腔内，抽至10^-2～10^-1Torr；

b)通入氩气(Ar)，反应腔内保持压强0.2～0.3Torr，温度20～30℃，射频加载功率20～30W，使氩等离子化，以氩离子轰击清洗衬底表面，维持1～5分钟，关闭Ar气路阀门，抽尽残余气体；

c)通入氢气(H₂)，反应腔内保持压强0.5～0.6Torr，温度20～30℃，射频加载功率20～40W，使氢等离子化，以氢离子轰击预处理衬底表面，维持5～10分钟；

d)通入硅烷(SiH₄)、氨气(NH₃)、氢气(H₂)的混合气体，反应腔内压强保持为0.5～0.6Torr，温度20～30℃，射频加载功率20～30W，产生SiH₄、NH₃、H₂混合气体的等离子体，在衬底上淀积非晶氮化硅(a-SiN_x)薄膜，淀积时间维持7～10分钟，反应结束后，关闭SiH₄、NH₃、H₂的气路阀门，抽尽残余气体，通入Ar，清洗管道和反应腔5～10分钟，关闭Ar气路阀门，抽尽残余气体；