CN1162734C - 室温发光硅基法布里-珀罗(f-p)微腔器件 - Google Patents
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Abstract
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，其特征在于它含有两个由a-Si∶H薄膜和a-SiOxNy∶H薄膜交替生长制备的a-Si∶H/a-SiOxNy∶H布拉格反射器(DBR)，放在上述两个布拉格反射器中间的a-SiCx∶H光发射层，其中x、y表示含量。a-SiOxNy∶H可以是a-SiO2∶H，a-SiCx∶H中x可以是微量；衬底是硅。a-Si∶H、a-SiOxNy∶H和a-SiCx∶H都是使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法制备的非晶薄膜材料。所述的反射器在顶部是6层薄膜，底部是7层薄膜。与其它同类室温发光的硅基光电子器件相比，它具有发光波长可调，易于制作，成本低，能与常规微电子工艺兼容等优点。
Description
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-珀罗微腔器件。
本发明的特征在于：所述的两个布拉格反射器都是由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；所述光发射层是a-SiCx:H薄膜，x表示含量；所述的a-SiOxNy:H是a-SiO2:H；所述的a-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，底部为7层薄膜。当所述的底部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-珀罗微腔器件的结构示意图
图2：图1所示微腔器件的底部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，底部有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/mi n，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。
Claims (6)
1.室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，含有顶部和底部两个布拉格反射器、放在它们中间的光发射层和衬底，其特征在于：所述的两个布拉格反射器都是由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；所述光发射层是a-SiCx∶H薄膜，x表示含量。
2.根据权利要求1的室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于：所述的a-SiOxNy∶H是a-Si02∶H。
3.根据权利要求1或2的室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于：所述的a-Si∶H和a-SiOxNy∶H是用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。
4.根据权利要求1的室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于：所述的a-SiCx∶H是用等离子体增强化学气相淀积方法制备的非晶薄膜材料。
5.根据权利要求1的室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于：所述的布拉格反射器在顶部为6层薄膜，底部为7层薄膜。
6.根据权利要求1的室温发光硅基法布里-珀罗微腔器件，其特征在于：当所述的底部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。
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