[发明专利]一种近红外发光器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种近红外发光器件及其制备方法。

背景技术

硅基光源是在整个硅基光电子中最富挑战性的部分，也是实现光互连技术电光集成的重要环节。硅，锗，硅锗合金虽然可以成功解决有源器件的部分问题，但由于它们为间接带隙结构，发光效率不高。提高现有的有源光器件的发光效率是一个亟待解决的问题。

为提高现有有源光器件的发光效率，通过微结构提高光源的发光效率，是一个常用技术手段。而在诸多手段之中，腔增强方法是一个能显著提高发光效率的手段，其中的Purcell效应被广泛研究。在Purcell腔结构内部利用表面等离子体效应就能够获得有效的发光增强。

将发光体(有源光器件)放置在金属纳米颗粒周围，从而提高荧光发光效率，是一种利用表面等离子体效应增强发光的方法。而这个金属纳米颗粒也可以换成具有同样功能的微纳结构，它们的原理类似，都是利用材料表面产生等离子体，而等离子体的电场同光场形成共振而实现光场增强。

表面等离子激元被光激发后，沿着金属界面传播，在垂直于传播方向的地方，表面等离子体(SPP)的场强度随着与金属界面的距离增加而迅速衰减。在金属的表面区域，场强度相对于入射光电场被大大提高。在粗糙的金属表面或亚光波长尺寸的金属结构附近，由于其SPP的强局域性，电磁场增强倍数会更高。

目前基于Purcell效应的发光增强技术，主要应用球形纳米颗粒实现发光增强，但是由于球体的等效模体积较大，SP模辐射耦合系数低，因此在实际应用中受到了一定的限制。此外，由于球体结构对半径变化敏感，对制备工艺要求较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种纳米柱状ITO阵列的制备方法。

一种近红外发光器件，包括具有锗量子点的硅片以及位于所述硅片上的纳米柱阵列，所述纳米柱阵列中的纳米柱阵列为透明导电材料制备得到，所述纳米柱的高度为50～500nm。

作为优选，所述ITO纳米柱阵列中的ITO纳米柱的高度为50～200nm。进一步优选，所述纳米柱的高度为50～100nm。

具有锗量子点的硅片指表明具有锗量子点层和硅层交替叠加的硅片，该硅片即为目前常用的近红外发光器件，本发明中在该硅片上设置纳米柱阵列，以纳米柱阵列作为发光增强层，起到高近红外发光器件的发光效率的作用。

与球形纳米阵列结构相比，柱形结构是一个更好的发光增强结构。柱形结构有着更小的等效模体积和更大的SP模辐射耦合系数，因此有着更好的发光增强效果。在同样的半径下，基于柱形结构得到的增强因子要显著强于球形结构。同时，柱形结构对于半径变化并没有球形结构那样敏感，在制造中拥有很强的优势。

纳米柱的材质可以影响到近红外发光器件的发光效率，所述的纳米柱通常由透明导电材质制备得到，如ITO、AZO和GZO等。作为优选，所述的纳米柱阵列为ITO纳米柱阵列。

纳米柱阵列的形状可以根据应用需要设定，通常可设为六方密堆结构。

所述纳米柱阵列中的相邻ITO纳米柱之间的距离为40～120nm。相邻ITO纳米柱之间的距离指相邻两个纳米柱上最近的两点间的距离。进一步优选，相邻ITO纳米柱之间的距离为40～80nm，最优地，相邻ITO纳米柱之间的距离为50nm。

ITO纳米阵列的尺寸直接关系到最终器件的发光效率。作为优选，所述ITO纳米柱阵列中的ITO纳米柱的直径为30～100nm。进一步优选，所述ITO纳米柱阵列中的ITO纳米柱的直径为60～70nm。最优的，所述ITO纳米柱的直径为70nm。

本发明还提供了上述近红外发光器件的制备方法，在具有锗量子点的硅片制备纳米柱阵列，具体包括如下步骤：

(1)在硅片上依次形成透明导电薄膜、SiO₂薄膜、多孔氧化铝薄膜；

(2)在多孔氧化铝薄膜的孔洞中填充金属；

(3)去除多孔氧化铝薄膜，然后以金属作为保护膜除去无保护膜覆盖的透明导电薄膜和SiO₂薄膜；

(4)除去有保护膜覆盖的SiO₂薄膜使保护膜与透明导电薄膜脱离，即在硅片上形成纳米柱阵列。

与目前多采用光刻法(Lithography)制备该纳米结构相比，本发明的制备方法工艺简单那，且成本低廉，更重要的是，由于现有的光刻即多是单点依次刻蚀，当分布面积较大时，需要花费大量的时长。而本发明的方法可以一次形成，大大节约了制备之间。

在镀膜之前，需要对硅片进行清洗，以除去污渍。