室温发光硅基法布里－珀罗F－P微腔器件.pdf

室温发光硅基法布里-珀罗(F-P)微腔器件
    【技术领域】

    一种室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件属于硅基光电子器件领域。背景技术

    人们一直试图实现完全硅基器件的光荧光和电荧光，以便获得硅基光电子器件领域的应用。例如，近几年发展较快的掺Er硅，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法制备的纳米硅、非晶a-SiNx：H、a-SiCx：H和a-SiOx：H薄膜，Si/SiGe应变超晶格，非晶a-Si：H/a-SiNx：H和a-Si：H/a-SiO2：H超晶格等，以上结构均实现了室温光致发光。由于它们的温度淬灭现象比较严重，室温发光强度低，发光峰较宽，工艺上比较难于精确控制发光峰的位置，因而这方面的研究一直处于探索阶段，没有获得广泛的应用。

    半导体微腔是半导体低维结构与量子光学的交叉前沿领域，其中法布里-珀罗(F-P)微腔是目前理论上和实际上研究得最广泛、最深入的一种。它已经成功地运用于微激光器，微腔二极管，非线性光学双稳器件等微光子器件。文献L.Pavesi，C.Mazzoleni，A.Tredicucci et al.Controlled photon emission in porous silicon microcavities.Appl.Phys.Lett.，Vol 67，3280(1995)中报道，把高多孔度的多孔硅光发射层放在两个多孔硅/多孔硅布拉格反射器(DBR)之间，其室温荧光强度增加了10倍，而半高宽只有15nm。其它的硅基DBR主要有Si/SiGe，多孔硅/多孔硅，a-Si：H/a-SiO2：H及a-Si：H/a-SiNx：H结构。其中较成熟的是分子束外延(MBE)制备的Si/SiGe DBR，但由于两种材料的折射率相近(硅为3.5，锗为4.3)，因此需要较多的Si/SiGe周期才能达到较高的反射率；而外延生长既困难又耗时，制作成本很高。至于多孔硅/多孔硅DBR，采用脉冲电流制备出多孔度不同因而折射率也不同的周期结构，虽然制备方法简便，但由于其耐热性，机械强度和可控性较差，尚未实用。发明内容

    本发明的目的在于提出一种利用F-P微腔来实现全硅基材料组成的、具有强室温发光的、能精确控制荧光峰位的室温发光硅基法布里-玻罗微腔器件

    本发明的特征在于：所述地两个多孔硅/多孔硅DBR都是由a-Si：H薄膜和a-SiOxNy：H薄膜交替淀积形成的多层膜构成，x、y表示含量；硅基光发射层是a-SiCx：H薄膜，x表示含量；所述的a-SiOxNy：H是a-SiO2：H；所述的a-SiCx：H中x为微量；所述的a-Si：H和a-SiOxNy：H是用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)方法交替生长制备的两种折射率不同的非晶薄膜材料；所述的a-SiCx：H是用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)方法制备的非晶薄膜材料；所述的布拉格反射器在顶部为6层薄膜，低层为7层；当所述的底层布拉格反射器的中心波长λ为700nm，微腔内的a-SiCx：H薄膜的厚度da-SiCx：H为120nm＜da-SiCx：H＜170nm。

    实验证明它已达到了预期目的。附图说明

    图1：室温发光硅基法布里-玻罗微腔器件的结构示意图

    图2：图1所示微腔器件的底层布拉格反射器的反射谱

    图3：图1所示微腔器件的和a-SiCx：H薄膜的荧光光谱具体实施方式

    请见图3、图1。用中国科学院微电子中心研制的PECVD-2型淀积台以Si片为衬底制备了硅基法布里-珀罗微腔器件。淀积时PECVD设备的背底真空度小于0.1Pa，Si片衬底温度为200℃；利用SiH4源制备a-Si：H膜；利用SiH4、NH3和NO2源制备a-SiOxNy：H膜，通过改变各源流量比例调节x和y值来改变a-SiOxNy：H膜的折射率大小，如NH3源流量为零时，增大NO2/SiH4流量比可用于制备a-SiO2：H膜；利用SiH4和CH4源制备a-SiCx：H膜。薄膜的淀积速度可以通过改变功率、温度、气压等条件进行控制，在淀积速度一定的条件下，利用淀积时间来控制淀积的薄膜的厚度。根据图1给出的器件结构，首先在Si片衬底上淀积a-SiO2：H膜，其次在a-SiO2：H膜上淀积a-Si：H膜，然后依次淀积其它薄膜直至形成制备的微腔结构。反射器在顶部有6层薄膜，底层有7层薄膜，各层薄膜的厚度：a-Si：H＝55nm，a-SiO2：H＝110nm，a-SiCx：H＝160nm。所制备的微腔器件的反射谱见图2，其器件的荧光谱和a-SiCx：H的荧光谱见图3。如图2所示，薄膜的反射率在考虑的区域总是大于0.9。分子束外延可以精确控制薄膜厚度，PECVD的弱点在于生长速度快，难以精确控制薄膜厚度。我们模拟了a-SiO2：H薄膜厚度的误差对布拉格反射器的反射率的影响，结果显示：如果某一层a-SiO2：H薄膜有10％的误差，中心频率大约有10nm的偏移；如果每一层a-SiO2：H薄膜都有10％的误差，中心频率大约偏移50nm。由于中心波长附近±100nm的区域内光波的反射率变化都很小，因此基本不会影响器件的正常工作。就我们现有的实验设备而言，片内均匀性＜5％，炉间(相同条件下，一炉与另一炉间)均匀性＜7％，因此PECVD工艺制备该器件是可行的。采用PECVD或低压化学气相淀积(LPCVD)制备的a-Si：H/a-SiO2：H及a-Si：H/a-SiOxNy：H结构，由于两种材料的折射率差异大(a-SiO2：H为1.46，a-SiOxNy：H在1.46～2.05之间，a-Si：H为3.5)，因此实现高反射率DBR需要较少的周期，采用三对半a-Si：H/a-SiO2：H周期的DBR的反射率就可达到98％以上。选用PECVD工艺除了考虑折射率因素外，还因为(1)适当选择工艺条件，a-SiOxNy：H可制备成无应力薄膜，这对多层膜结构和许多器件应用至关重要；(2)PECVD方法为低温工艺，与常规硅工艺兼容性好。另一方面，a-SiCx：H的厚度决定了出射光的波长，实验中我们采取低功率、高温度、低气压等条件将a-SiCx：H的生长速度降低到了5nm/min，它足够把a-SiCx：H出射光波长控制在1nm的误差附近。

    所制备的硅基法布里-珀罗微腔的荧光光谱见图3。其a-SiCx：H荧光谱的强度相对很小，但半高宽则很大。发光器件的谱线则是由一个很尖的主峰和一个小的侧峰构成。主峰位于742nm附近，半高宽为9.33nm，强度是a-SiCx：H荧光强度的3.1倍。这说明F-P腔起到了增益和限制的作用。

    对于a-SiCx：H薄膜放在两个a-Si：H/a-SiOxNy：H布拉格反射器间组成的F-P共振腔结构具有设计灵活、制作简易、成本低，和发射光学性能好等优点。