CN1122318C - 硅基双势垒结构隧道发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

硅基双势垒结构隧道发光二极管及其制造方法是一种硅基发光管及其制造方法，该二极管的结构为以硅片为基底，在硅片的上表面设有一层磷扩散层，在磷扩散层上设有200nm厚度的二氧化硅层，在该二氧化硅层上设有一个直径为1-3mm的小孔，该小孔的底部为3-5nm厚的二氧化硅底层，在该小孔外的二氧化硅层中设有以高纯铝膜制成的负电极，所述电极与磷扩散层相连，在小孔中的二氧化硅底层上设有7-10nm厚的三氧化二铝膜，在该三氧化二铝膜上设有粘结层钛，在该粘结层钛上设有作为正电极的金膜。

Description

硅基双势垒结构隧道发光二极管及其制造方法

一、技术领域

本发明是一种半导体发光器件的制造，尤其是一种硅基发光管制造的技术。

二、背景技术

用硅(Si)制作发光器件是当今光电子学的一个重大课题，由于硅属于间接带隙半导体材料，其导带和价带的极值不在K空间的同一点，根据K守恒原理，注入到硅导带底的电子与价带顶的空穴的复合必须借助于声子的参与，因而几率很低，其禁带宽度约为1.12ev，能量对应于红外区，因此Si材料本身不是一种合适的发光材料。但是，由于当今硅微电子工艺已惊人地完美，能够直接在硅片上制成发光器件并使之与硅微电子工艺兼容，成为光电集成技术方面的一个奋斗目标。多年来，砷化镓(GaAs)等一些直接带隙半导体材料一直作为重要的发光材料加以研究，但GaAs等材料与Si微电子工艺不能兼容，且价格昂贵。为更好地适应集成光电子学的发展，迫切需要开发适合超大规模集成电路(VLSI)尺寸的Si基发光器件，近年来，人们尝试了许多方法以使Si能够发光，如根据能带工程的理论，在Si衬底上生长Si_1-xGe_x的多层量子阱材料和短周期超晶格材料，以实现带间跃迁发光；利用掺杂工程，在Si中掺入稀土离子作为局域化的发光中心，以实现电子一空穴的复合发光；利用量子尺寸效应，使电化学腐蚀下的多孔硅材料的能带得以展宽，实现可见光的发射。以上方法各有局限性，或工艺复杂，难以控制；或发光稳定性较差；或发光强度与发光量子效率较低等等。

三、发明内容

1、技术问题

本发明的目的就是提供一种稳定性较好、制备工艺较简单、与硅微电子工艺兼容且发光强度及效率较高的硅基双势垒结构隧道发光二极管及其制造方法。

2、技术方案

本发明的硅基双势垒结构隧道发光二极管，其特征在于该二极管的结构为以硅片为基底，在硅片的上表面设有一层磷扩散层，在磷扩散层上设有200nm厚度的二氧化硅薄膜，在该二氧化硅层上设有一个直径为1-3mm的小孔，该小孔的底部为3-5nm厚的二氧化硅底层，在该小孔外的二氧化硅层中设有以高纯铝膜制成的负电极，所述电极与磷扩散层相连，在小孔中的二氧化硅底层上设有7-10nm厚的三氧化二铝膜，在该三氧化二铝膜上设有粘结层钛，在该粘结层钛上设有作为正电极的金膜。磷扩散层的掺杂浓度大于或等于10²¹cm^-3。

本发明的制造方法为：

a、选用N型硅片，进行表面磷扩散，即在硅片表面制成一层磷扩散层；

b、在磷扩散层的表面生长厚200nm的二氧化硅层；

c、在二氧化硅层上光刻出一个直径1-3mm的小孔作为发光区；

d、在上述光刻后的小孔中生长一层3-5nm厚的二氧化硅底层；

e、在小孔外的二氧化硅层上，采用光刻的方法刻除一部分二氧化硅以形成一个电极区，并在该电极区制备一层高纯铝膜作为负电极所述负电极与磷扩散层相连；

f、在小孔中的二氧化硅底层上生长一层7-10nm厚的三氧化二铝膜；

g、在上述三氧化二铝上制备一层极薄的粘结层钛，并在该粘结层钛上制备一层金膜作为正电极；

h、划片、装基座、引出电极线、封装。

3、技术效果

本发明的优点在于：

(1)制备工艺与硅微电子工艺兼容，可方便地实现硅基光电子集成。

(2)制备工艺简单，只需基本的半导体工艺及薄膜制备技术，易于操作，成本较低。

(3)发光性能较好，如发光稳定性、发光强度、发光效率等将大为提高。

(4)所需加载的电压为直流电压，且发光电压较低，3-5伏即可，发光颜色可随所加电压大小而改变。

(5)该二极管为平面薄膜型结构，可吸纳薄膜技术的其它成果，实现光、电、热、声、磁功能的全面集成，可开发出系列复合功能薄膜器件。

四、附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。其中有硅片1、磷扩散层2、厚层二氧化硅薄膜3、小孔31、高纯铝膜4、氧化物膜5、粘结层钛6、金膜7。

五、具体实施方案

本发明的实施方式如下：

其方法为：

a选用晶向<111>的N型Si片，进行表面磷扩散，使表面层磷掺杂浓度达≥10²¹cm^-3；

b、按微电子工艺，清洗Si片并烘干。在有磷掺杂的Si片表面生长一层厚200mm的SiO₂薄膜，成膜后进行退火致密处理；

c、对上述SiO₂层进行光刻，刻出直径1-3MM的小孔发光区；

d、在上述小孔区内，采用热氧化工艺生长一层3-5nm厚的薄层SiO₂(即二氧化硅底层)，该薄层SiO₂即为硅基双势垒结构隧道发光二极管中的势垒层之一，其周围的SiO₂层作隔离并减少产生的结漏电流之用；

e、在靠近上述光刻的小孔区不远处，对SiO₂层进行光刻，刻出电极区，在该电极区溅射一层厚500nm左右的高纯Al膜，并使之与Si表面磷扩散层形成良好的欧姆接触，作为负电极；

f、在薄层SiO₂底层上，通过反应溅射方法生长一层厚约7-10nm的Al₂O₃膜，该Al₂O₃薄膜为硅基双势垒结构隧道发光二极管中的另一势垒层；

g、在上述制备的Al₂O₃薄膜上，制造一层极薄的粘结层钛(Ti)，在Ti层上真空蒸发厚约50nm左右的Au膜作正电极。其中Ti层的制备是为了保证Au膜与氧化层之间的良好附着与连接；

h划片，装基座，用直径0.1-0.2mm的铝(Al)丝超声压焊引出电极导线，使样品封装在管壳内。

根据以上所述便可制成本发明的硅基双势垒结构隧道发光二极管。

Claims (3)

1、一种硅基双势垒结构隧道发光二极管，其特征在于该二极管的结构为以硅片(1)为基底，在硅片(1)的上表面设有一层磷扩散层(2)，在磷扩散层(2)上设有200nm厚度的二氧化硅层(3)，在该二氧化硅层(3)上设有一个直径为1-3mm的小孔(31)，该小孔(31)的底部为3-5nm厚的二氧化硅底层，在该小孔(31)外的二氧化硅层(3)中设有以高纯铝膜(4)制成的负电极，所述电极与磷扩散层(2)相连，在小孔(31)中的二氧化硅底层上设有7-10nm厚的三氧化二铝膜(5)，在该三氧化二铝膜(5)上设有粘结层钛(6)，在该粘结层钛(6)上设有作为正电极的金膜(7)。

2、根据权利要求1所述的硅基双势垒结构隧道发光二极管，其特征在于磷扩散层(2)的掺杂浓度大于或等于10²¹cm^-3。

3、一种硅基双势垒结构隧道发光二极管的制造方法，其特征在于该方法为：

a、选用N型硅片(1)，进行表面磷扩散，即在硅片表面制成一层磷扩散层(2)；

b、在磷扩散层(2)的表面生长厚200nm的二氧化硅层(3)；

c、在二氧化硅层(3)上光刻出一个直径1-3mm的小孔(31)作为发光区；

d、在上述光刻后的小孔(31)中生长一层3-5nm厚的二氧化硅底层；

e、在小孔(31)外的二氧化硅层(3)上，采用光刻的方法刻除一部分二氧化硅以形成一个电极区，并在该电极区制备一层高纯铝膜(4)作为负电极，所述负电极与磷扩散层相连；

f、在小孔(31)中的二氧化硅底层上生长一层7-10nm厚的三氧化二铝膜(5)；

g、在上述三氧化二铝(5)上制备一层极薄的粘结层钛(6)，并在该粘结层钛(6)上制备一层金膜作为正电极；

h、划片、装基座、引出电极线、封装。

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