基于PECVD工艺的硅基光致和电致发光器件研制

【摘要】：为实现超大规模集成电路和微机电系统(MEMS)中的光电集成，硅基发光器件的实现至关重要。由于硅是一种间接禁带半导体，使硅基器件高效发光已经成为一个很大的难题，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直接影响到了光电集成电路、光学存储和逻辑以及高级显示系统的发展。 本文分别提出了一种新型硅基垂直腔面光致发光器件结构和一种电致发光器件结构，并对它们进行了深入的理论分析和实验验证。它们采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法制备的非晶硅/二氧化硅交替生长的多层薄膜结构为分布式布拉格反射器(DBR)，以夹在上下两个布拉格反射器之间的非晶碳化硅薄膜或非晶碳化硅p-i结为中间发光层，使整个器件可以在激光或者直流电压的激发下实现发光。 为了制备上述器件，论文对a-Si:H，a-SiOx，a-SixNy，a-SiCx:H和硼掺杂p型a-SiCx:H的薄膜制备工艺和光电特性进行了深入的摸索，研究了制备工艺对薄膜相关性能的影响；论文还依据薄膜中的光传输理论对发光器件的性能做了模拟，通过大量模拟结果确定了薄膜层数、折射率、厚度、生长顺序等参数的最优值。在此基础上，制备出了DBR/a-SiCx:H/DBR结构的红光、绿光和蓝光三种光致发光(PL)器件和DBR/ITO/p-type a-SiCx:H/a-SiCx:H/Al结构的红光和蓝光两种电致发光(EL)器件。其中，电致蓝光发射器件在18V直流电压激励下可以在483nm处发射半高宽为20nm的蓝光，强度较p-i结结构同一波长位置的EL谱提高约10倍，这已达到硅基电致发光研究领域的国际水平。光致红、绿、蓝光发射器件和电致红、蓝光发射器件的研制成功，为获得整个可见光范围内强的、高单色性的、荧光峰位可精确控制的室温光致-电致发光打下了基础，这对于实现彩色平面显示和硅基光电集成有着非常重要的意义。