台湾科学家研发出高效率异质结构硅LED

    2月16日消息,据台湾媒体报道,硅是微电子工业最常使用的材料,但由于它具有非直接能带(indirect bandgap),发光效率非常低。最近,由台湾大学材料科学与工程学系的陈敏璋教授与杨哲人教授领导的研究团队,利用n型氧化锌/二氧化硅-硅奈米微晶-二氧化硅/p型硅基板(n-ZnO/SiO2-Si nanocrystal-SiO2/p-Si)之异质结构,成功制作出高效率硅发光二极管,为非直接能带半导体在光电上的应用开启了新契机。

    台大团队先利用低压化学气相沉积法(LPCVD)在p型硅基板上成长硅奈米微晶,然后以热氧化法(thermal oxidation)将微晶嵌埋在二氧化硅层中。接着再利用原子层沉积术(Atomic Layer Deposition,ALD)制作高质量的n型ZnO薄膜,做为透明导电层、电子注入层以及可提高光萃取率的抗反射层。ALD为先进的奈米薄膜沉积技术,能以原子级精准度控制形成薄膜的厚度及成份,还具备高均匀度、低缺陷密度、可大面积批次量产,以及沈积温度较低等优点。

    电子显微镜照片清楚显示,直径约24 nm的硅奈米微晶嵌埋在厚度约9.2 nm的二氧化硅层中。电子与电洞分别由n型ZnO薄膜与p型硅基板,穿隧(tunneling)通过二氧化硅层进入硅奈米微晶。由于电子电洞对被局限在狭小的微晶内,二氧化硅对微晶表面缺陷又有修补作用,因此电子电洞对产生发光结合(radiative recombination)的机率大增,再加上透明ZnO薄膜的抗反射效果,因而大幅提升硅发光二极管的发光效率。

    上述组件的室温发光频谱峰值在波长1140 nm处,能量十分接近硅的能隙,对应到声子辅助非直接载子结合(phonon-assisted indirect carrier recombination)的物理机制。研究人员也测量了注入不同直流电流时的发光功率。此组件在室温下的外部量子效率高达4.3×10-4,是以块材硅为基板时的100倍,内部量子效率推测约为10-3,突破了非直接能带半导体的限制。

    值得ㄧ提的是,此组件的制程和结构与现行超大规模集成电路的技术完全兼容,可直接整合在目前的集成电路当中。此研究成果可望应用在集成电路中的光学连接(optical interconnection)以及积体光路(photonic integrated circuits)所需的高效能硅发光二极管。详见Nanotechnology 20, p.445202 (2009)。