室温电致发光硅基法布里－珀罗微腔器件.pdf

本发明涉及一种室温电致发光硅基法布里－珀罗微腔器件，属于硅基光电子器件领域，包括采用透明材料作为衬底；在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a－SiCx:H薄膜和本征a－SiCx:H薄膜构成的p－i结发光结构，高反射率负电极四层结构组成。本发明采用全硅基材料，具有强室温电致发光、能精确控制荧光峰位、制作简易、成本低的特点。

1、  一种室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，包括采用透明材料作为衬底；其特征在于，在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜和本征a-SiC_x:H薄膜构成的p-i结发光结构，高反射率负电极四层结构组成。

2、  一种室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，包括采用透明材料作为衬底；其特征在于，在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜和n型a-SiC_x:H薄膜构成的p-n结发光结构，高反射率负电极四层结构组成。

3、  一种室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，包括采用透明材料作为衬底；其特征在于，在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜、本征a-SiC_x:H薄膜和n型a-SiC_x:H薄膜构成的p-i-n结发光结构，高反射率负电极五层结构组成。

4、  如权利要求1、2或3所述的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于，所述的透明正电极薄膜是利用溅射设备生长的ITO薄膜，厚度为10¹～10²nm量级。

5、  如权利要求1、2或3所述的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于，所述的发光结构的多层薄膜的总光学厚度d为中心发射波长λ的1/2。

6、  如权利要求1、2或3所述的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于，所述的高反射率负电极是利用溅射设备生长的Al或其它高反射率、高电导率的金属材料薄膜，厚度为10²～10³nm量级。

7、  如权利要求1、2或3所述的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于，所述的布拉格反射器由a-Si:H薄膜和a-SiO_x:H薄膜交替淀积在玻璃衬底形成的多层膜构成，x表示含量，约为2，x增大，a-SiO_x:H折射率减小；反之，a-SiO_x:H折射率增大。根据DBR反射率要求布拉格反射器薄膜，总层数为5至20层。

8、  如权利要求1、2或3所述的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于，所述的布拉格反射器由a-SiO_x:H薄膜和非晶态a-SiN_x或者非晶态a-SiO_xN_y组成，层数为15至40层。

室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件
技术领域
本发明属于硅基光电子器件领域，特别涉及电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件结构设计。
背景技术
硅基发光器件是集成电路光电集成的关键器件。是否能实现与现有IC工艺兼容、低成本、可实用的硅基发光器件将直接影响到光电集成电路、光学存储和逻辑以及高级显示系统的发展，因此人们一直试图实现完全硅基器件的光致发光和电致发光，以便获得硅基光电子器件领域的应用。例如，近几年发展较快的稀土元素掺杂Si材料(尤其是掺Er硅)；等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法制备的纳米硅、非晶态a-Si:H、a-SiN_x:H、a-SiC_x:H和a-SiO_x:H薄膜；Si和SiGe组成的应变超晶格，非晶a-Si:H和a-SiN_x:H组成的超晶格以及a-Si:H和a-SiO₂:H组成的超晶格等，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，单色性不好，工艺上比较难于精确控制发光峰的位置。而且由于a-SiN_x:H、a-SiO_x:H和a-SiC_x:H等材料电阻率较大，发光基本局限于光致发光，硅基器件的电致发光报导较少，这方面的研究一直处于探索阶段，没有获得广泛的应用。事实上，实现电致发光是硅基发光器件能够真正商业化应用的至关重要的一步。
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 poroussilicon microcavities.Appl.Phys.Lett.，Vol 67，3280(1995)中报道，把高孔隙度的多孔硅光发射层放在两个由多孔硅组成的布拉格反射器(DBR)之间形成微腔结构。(布拉格反射器通常由两种折射率不同的材料周期性间隔生长而成，可表示为“高折射率材料/低折射率材料DBR”，其中单层膜的光学厚度为中心波长λ的1/4。)实验结果显示，上述多孔硅微腔结构使得发光层室温荧光强度增加了10倍，而半高宽由原来的100nm缩小到只有15nm，发光峰强度和单色性都明显得到了改善，表明了微腔结构对硅发光层荧光谱在特定设计波长处的窄化和增强作用。其它的硅基DBR主要有SiGe/Si DBR，多孔硅/多孔硅DBR及a-SiN_x:H/a-SiO₂:H DBR结构。其中较成熟的是分子束外延(MBE)制备的SiGe/Si DBR，但由于两种材料的折射率相近(锗为4.3，硅为3.5)，因此需要较多的SiGe/Si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
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，采用全硅基材料，具有强室温电致发光、能精确控制荧光峰位、制作简易、成本低的特点。
本发明的一种实现方案包括：采用透明材料作为衬底；在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜和本征a-SiC_x:H薄膜构成的p-i结发光结构，高反射率负电极四层结构组成。
本发明的另一种实现方案包括：采用透明材料作为衬底；在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜和n型a-SiC_x:H薄膜构成的p-n结发光结构，高反射率负电极四层结构组成。
本发明的第三种实现方案包括：采用透明材料作为衬底；在该透明衬底上由周期性淀积的两种高、低折射率材料薄膜相间隔组成的布拉格反射器；在该布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层；该硅基电致发光层由依次淀积的透明正电极薄膜、p型a-SiC_x:H薄膜、本征a-SiC_x:H薄膜和n型a-SiC_x:H薄膜构成的p-i-n结发光结构，高反射率负电极五层结构组成。
本发明上述的透明正电极薄膜可为利用溅射设备生长的ITO薄膜，厚度可为10¹～10²nm量级。
所述的发光结构的多层薄膜的总光学厚度d约为中心发射波长λ的1/2。
所述的高反射率负电极可为利用溅射设备生长的Al或其它高反射率、高电导率的金属材料薄膜，厚度为10²～10³nm量级。
所述的布拉格反射器可由a-Si:H薄膜和a-SiO_x:H薄膜交替淀积在玻璃衬底形成的多层膜构成，x表示含量，约为2，x增大，a-SiO_x:H折射率减小；反之，a-SiO_x:H折射率增大。根据DBR反射率要求布拉格反射器薄膜，总层数可为5至20层。
所述的布拉格反射器也可由a-SiO_x:H薄膜和非晶态a-SiN_x或者非晶态a-SiO_xN_y组成，以减小布拉格反射器对短波长光的吸收，层数可为15至40层；
本发明具有设计灵活、制作简易、成本低、在室温下电致光发射性能好等优点。
附图说明
图1为室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件的结构示意图。
图2为图1所示微腔器件的底层布拉格反射器的反射谱。
图3为图1所示微腔器件的硅基电致发光层p-i结结构的I-V特性曲线。
图4为图1所示微腔器件地硅基电致发光层p-i结结构在正向偏压下的电致发光谱(曲线1～4分别表示了不同的发光区域和正向偏压下的电致发光谱)。
图5为图1所示微腔器件在正向偏压下的电致发光谱。
具体实施方式
本发明提出的室温电致发光硅基法布里-珀罗微腔器件，结合实施例及附图详细说明如下：
本发明的结构如图1所示，包括发光器件衬底1，出射光从此处射出。(本实施例采用石英或玻璃等透明材料，厚度为10^-1～10°mm量级)；在透明衬底1上周期性淀积的高低折射率材料薄膜，两种薄膜相间隔组成布拉格反射器2，其中各单层膜的光学厚度为中心发射波长λ的1/4。本实施例的布拉格反射器是由a-Si:H薄膜和a-SiO_x:H薄膜交替淀积在玻璃衬底形成的多层膜构成，x表示O含量约为2，本实施例的a-Si:H/a-SiO_x:H布拉格反射器共7层膜，也可根据DBR反射率要求适当增加或减少薄膜层数，一般总层数为5层至20层。其中高折射率材料也可由非晶态a-SiN_x或者非晶态a-SiO_xN_y代替。在上述布拉格反射器之上淀积硅基电致发光层，该硅基电致发光层由四层结构组成，包括：透明正电极ITO薄膜3、p型a-SiC_x:H薄膜4、本征a-SiC_x:H薄膜5，高反射率Al负电极6。本实施例的ITO薄膜是利用溅射设备生长的，也可用其他透明导电材料代替，厚度为10¹～10²nm量级；p型a-SiC_x:H薄膜和本征a-SiC_x:H薄膜是利用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)方法制备的非晶薄膜材料，其中x表示C含量，由此二层组成p-i结发光结构，两层总光学厚度为中心发射波长λ的1/2，本实施例中所述的布拉格反射器的中心波长λ为480nm，微腔内p型a-SiC_x:H薄膜和本征a-SiC_x:H薄膜的总厚度d_a-SiCx:H约为100nm～120nm。其中本征a-SiC_x:H也可由n型a-SiC_x:H代替，组成p-n结结构，或直接在本征a-SiC_x:H上附加一层n型a-SiC_x:H，以组成p-i-n结构；所述的高反射率Al负电极是利用溅射设备生长的Al膜，其中Al材料可由另一种高反射率、高电导率、可与a-SiC_x:H形成欧姆接触的金属材料组成，厚度为10²～10³nm量级。
本实施例的制备方法为：
1、采用中国科学院微电子中心研制的PECVD-2型淀积台和JS-3真空溅射台以2mm厚玻璃片1为衬底，淀积时PECVD设备的背底真空度小于0.1Pa，玻璃片衬底温度为380℃。
2、利用SiH₄源制备a-Si:H膜；利用SiH₄和NO₂源制备a-SiO_x:H膜，通过改变各源流量比例调节x值来改变a-SiO_x:H膜的折射率大小；首先在玻璃片衬底上淀积a-Si:H膜，其次在a-Si:H膜上淀积a-SiO_x:H膜，然后依照此顺序周期性淀积a-Si:H薄膜和a-SiO_x:H薄膜直至形成7层薄膜布拉格反射器结构2。本实施例的中心发射波长设计为480nm，各层薄膜的厚度：a-Si:H＝33.3nm，a-SiO₂:H＝82.2nm。
3、在真空溅射台中以ITO靶为ITO材料源，淀积ITO薄膜3，厚度120nm，折射率n_ITO＝2.2，电阻率为10^-5Ω·cm量级。利用SiH₄、B₂H₆和CH₄源制备p型a-SiC_x:H膜4；利用SiH₄和CH₄源制备a-SiC_x:H膜5组成硅基电致发光层；各层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，本实施例选定淀积温度为380℃，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，本实施例中p型a-SiC_x:H＝50nm，本征a-SiC_x:H＝70nm。
4、在淀积p型a-SiC_x:H和本征a-SiC_x:H之后，再利用真空溅射台淀积厚度为500nm、直径为4mm的Al膜圆斑6，该Al膜作为负电极与a-SiC_x:H形成良好的欧姆接触。
本实施例的布拉格反射器反射谱如图2所示，布拉格反射器的反射率在设计波长480nm附近480nm±60nm区域约为0.9，模拟结果显示，这一反射率可以满足使中间电致发光层的出射光在布拉格反射器和高反射率Al电极间多次反射的目的。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，但是对反射谱的模拟结果显示，布拉格反射器在设计波长附近的高反射率值对组成反射器的各层薄膜厚度有一定的容差能力，即薄膜生长厚度误差对布拉格反射器反射率影响较小，因此对比本实施例的工艺条件，PECVD工艺制备该器件是可行的。采用PECVD制备的a-Si:H/a-SiO₂:H结构，由于两种材料的折射率差异大(a-SiO₂:H为1.46，a-Si:H为3.6)，因此实现高反射率DBR需要较少的周期，采用总共7层a-Si:H/a-SiO₂:H薄膜组成的DBR的反射率就可达到90％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，可使得制备出的多层薄膜合应力为零，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。(3)相对于MBE等工艺，PECVD工艺成本较低。
本实施例的发光器件由p-i结发光层和布拉格反射器共同组成，所制备的由p型a-SiC_x:H/本征a-SiC_x:H组成的p-i结的I-V特性如图3所示，p-i结的I-V特性类似于p-n结，其中正向开启电压为8V，反向击穿电压为-12V。p-i结在8V～18V正向偏压下无布拉格反射器时的电致发光谱见图4。其中曲线1，2和3是器件p-i结附近靠近本征区一侧的电致发光谱；曲线4是器件p-i结附近靠近p型区一侧的电致发光谱；从图中可以看出p-i结的电致发光谱的强度相对很小，但半高宽则很大，发光谱峰位在730nm～850nm附近，主要为红光发射。图1所示的发光器件由p-i结发光层和布拉格反射器共同组成，器件的电致发光谱线如图5所示，发光峰位于483nm处，半高宽为20nm，强度随正向偏压的增大而增大，在18V的正向偏压下，强度是p-i结在同一波长位置处电致发光强度的10倍。这说明F-P腔起到了增益和限制的作用。
实验结果表明，本实施例由ITO薄膜、p型a-SiC_x:H/a-SiC_x:H薄膜组成p-i结放在a-Si:H/a-SiO_x:H布拉格反射器和高反射率Al电极间组成的电致发光F-P共振腔结构，当在ITO正电极和Al负电极之间施加8～18V的正向偏压时(如图1所示)，p型a-SiC_x:H和本征a-SiC_x:H薄膜组成的p-i结在正向偏压下发光，经过微腔结构在设计波长处的增强和窄化作用，从玻璃衬底射出半高宽为20nm的单色性较好的蓝光，波峰位置483nm，且发光强度随正向偏压的增大而增大。