[发明专利]硅基光发射器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种硅基光发射器件及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

硅材料中实现光增益乃至激光一直是微电子行业所密切关注并想努力实现的目标。从Intel公司研发的利用Raman 效应的硅激光器到布朗大学在SOI片上引入A中心缺陷观察到的激射行为，许多科研机构都在致力于硅基光源及激光的研究。但由于硅材料本身的间接带隙结构，其发光效率相对来说仍比较低。目前大多数的半导体发光器件由非硅基材料制成，这与现在成熟的硅工艺不相兼容。

公开号CN101667619A的发明专利提出了一种提高纳米硅/二氧化硅发光器件发光强度的方法，其以聚苯乙烯小球为掩模,对硅衬底表面进行等离子体刻蚀;在纳米硅衬底的硅锥结构表面淀积多层A-Si:H/SiO₂薄膜;再放入退火炉内,先后完成脱氢退火、快速热退火和稳态高温退火,得到预定周期的NC-Si/SiO₂薄膜。该发明专利意图以阵列式的硅锥粗糙表面增强场发射效应, 但由于聚苯乙烯微球的抗刻蚀能力不强，且采用了等离子体刻蚀，故因而获得的硅锥长度有很大限制，无法很好地约束光的横向散射，进而使得载流子的注入效率和器件的光提取效率仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种硅基光发射器及其制备方法，其通过利用光子晶体纳米柱阵列和硅纳米晶量子点结构来共同提高硅基器件发光强度，实现光发射效率的提升。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种硅基光发射器件，包括硅衬底，其特征在于，所述硅衬底正面经刻蚀形成纳米柱光子晶体阵列，所述纳米柱光子晶体阵列上共形沉积含有硅纳米晶量子点结构的薄膜层，所述薄膜层上覆盖透明共形电极，所述硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。

优选的，所述硅衬底采用电阻率为0.004～0.005Ω·cm的B重掺杂P型硅片。

所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0.8～3μm，直径为100～500nm，且相邻两纳米柱中心距离为300nm～1.5μm。

所述薄膜层为含有硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50～300nm。

所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200～500nm。

所述欧姆接触电极厚度为200～1000nm，同时，所述欧姆接触电极材料至少选用铝、铜、银、金和铂中的任意一种或其中任意两种及其以上的合金。

如上所述硅基光发射器件的制备方法，其特征在于，该方法为： 

Ⅰ、在经清洗后的硅衬底正面自组装形成二维有序SiO₂纳米微球单层胶体层；

Ⅱ、利用微球掩膜刻蚀技术，通过深反应离子刻蚀获得硅纳米柱光子晶体阵列；

Ⅲ、依次在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层和透明共形电极，并在硅衬底背面上沉积欧姆接触电极，获得目标产品。

进一步的，步骤Ⅰ中采用<100>，电阻率为0.004～0.005Ω·cm的B重掺杂的P型硅片作为衬底，并以提拉法在衬底正面自组装形成二维有序SiO₂纳米微球单层胶体层。

所述纳米柱光子晶体阵列中的纳米柱高度为0.8～3μm，直径为100～500nm，且相邻两纳米柱中心距离为300nm～1.5μm。

步骤Ⅱ中采用利用PECVD或LPCVD工艺及后续退火工艺在硅纳米柱光子晶体阵列上共形生长含有纳米硅量子点结构的薄膜层，所述薄膜层为富硅氧化硅、氮化硅或碳化硅薄膜，厚度为50～300nm。

所述透明共形电极采用ITO或有机导电薄膜，厚度为200～500nm。

所述欧姆接触电极至少由铝、铜、银、金和铂中的任意一种金属或其中任意两种及其以上的合金组成，其厚度200～1000nm。

本发明使用SiO₂纳米微球做掩模，其抗刻蚀能力比现有聚苯乙烯微球有很大提高，使用的刻蚀工艺是深反应离子刻蚀工艺，特别是优化后的BOSCH工艺，这些工艺设计可获得长度更长的硅纳米柱阵列，从而能更好地约束光在横向的散射，更大限度地提高垂直方向的光提取效率；且纳米硅柱与共形薄膜之间有更大的接触面积，这同时也大大地提高了载流子的注入效率。