一种高发光效率的硅基发光器件的制作方法

1.本实用新型涉及发光器件技术领域，尤其涉及一种高发光效率的硅基发光器件。


背景技术：

2.目前的半导体发光器件主要是由化合物半导体制成，常用的化合物半导体发光材料有：gaas（砷化镓）、inp（磷化铟）等，这些材料属于直接带隙材料，有着较高的发光效率，主要被用于制作led（发光二极管）、激光器等器件。
3.基于化合物半导体材料制作的发光器件，如需应用在实际场景中，需要有专用驱动芯片对其进行驱动和控制，即：提供发光器件所需的电压、电流；提供控制发光器件发光亮度、发光时间的控制信号；对发光器件工作过程中温度、亮度等工作状态的信号采集。而这些专用驱动芯片普遍都是基于cmos（互补金属氧化物半导体）工艺制程来制作的。cmos工艺属于基于硅半导体材料的工艺，它和化合物半导体材料工艺在工艺步骤、工艺环境以及工艺设备上均有很大不同，两个工艺不能兼容。因此，发光器件和驱动芯片无法集成在同一颗芯片上，大大提高了由发光器件制作的相关产品的体积和成本。
4.而硅基发光器件则主要是由硅材料制作的发光器件，这种器件可以完美的采用cmos工艺来制造，因此可以实现器件和驱动电路的工艺兼容，即可以把发光器件和控制电路集成到同一颗芯片中，真正实现诸如光检测器、微显示芯片、光传输芯片等光电芯片的片上集成。
5.目前的硅基发光器件，有一种实现方式是在重掺杂的二极管上施加一个反偏的电压，当电压高于二极管的雪崩击穿电压之后，二极管被击穿，流过二极管空间电荷区的电流会大幅增加，在这个过程中，由于器件内部产生了韧致辐射的原因，在二极管pn结区会有光子产生，表现在宏观上就是二极管发光了。
6.但是，基于cmos工艺制作的硅基发光器件有个明显缺陷，那就是其发光效率很低，如果要实现高亮度的发光，需要对器件施加很高的电压和电流，这使得器件的功耗居高不下，无法满足小型应用场景对功耗的要求。
7.造成硅基发光器件发光效率较低的原因有：
8.1）硅材料是一种间接带隙材料，其本身的发光效率就比较低；
9.2）硅基二极管雪崩击穿之后发的光主要处于可见光光谱，该光谱的光子比较容易被硅材料本身所吸收，大约有70%的光子会被材料本身吸收掉，这样使得器件发光效率进一步降低；
10.目前cmos工艺下制作的二极管主要还是一种平面器件，有效发光的pn结区大部分位于材料深处，只有裸露在表面的少数区域所发出的光子能够辐射出来。


技术实现要素：

11.基于背景技术中提出的技术问题，本实用新型提出了一种高发光效率的硅基发光器件。
12.本实用新型提出的一种高发光效率的硅基发光器件，包括硅基发光器件本体，所述硅基发光器件本体的内部设置有p区，且硅基发光器件本体的内部设置有n区，所述p区和n区的底部外壁设置有pn结，所述硅基发光器件本体的内部设置有挖槽，且挖槽将pn结周围挖空，所述硅基发光器件本体的内部设置有负极，且硅基发光器件本体的内部设置有正极，pn结通过挖槽变成立体器件之后，结区面积被有效扩大了,让pn结增加了侧面发光区域，提高了发光效率,同时，通过增加a-a’方向挖槽的数量，可以大幅度增加侧面空间电荷区的数量，进一步提高pn结的发光效率。
13.优选地，所述挖槽的深度和有源区深度相当，且挖槽的外壁与水平方向的夹角范围为45
°
~63
°
。
14.优选地，所述挖槽的内部填充有sio2填充料，且sio2填充料为透明材料。
15.优选地，所述pn结为周期性排列，为n区（3）和p区（2）交替分布的周期性排列，且pn结的有源区表面设置有底层金属。
16.优选地，所述底层金属将p区和n区排列相连，且属排列为纵向排列。
17.优选地，所述负极位于相邻的两个p区之间，且负极位于sio2填充料的上方。
18.优选地，所述正极位于相邻的两个n区之间，且正极位于sio2填充料的上方。
19.本实用新型中的有益效果为：
20.1、该高发光效率的硅基发光器件，通过设置有挖槽，pn结通过挖槽变成立体器件之后，结区面积被有效扩大了,让pn结增加了侧面发光区域，提高了发光效率,同时，通过增加a-a’方向挖槽的数量，可以大幅度增加侧面空间电荷区的数量，进一步提高pn结的发光效率。
21.2、该高发光效率的硅基发光器件，通过在槽内填充透明的sio2材料，并且精确控制槽壁倾斜角度，使得侧面发出的光线可以有效发射出器件表面，降低光子被材料吸收的概率。
22.3、该高发光效率的硅基发光器件，通过设置有金属布线,金属布线为发光区域充分预留了发光窗口,这三个措施使得器件发光效率大大增加。
23.该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
24.图1为本实用新型提出的一种高发光效率的硅基发光器件的结构示意图；
25.图2为本实用新型提出的一种高发光效率的硅基发光器件的a-a’结构示意图；
26.图3为本实用新型提出的一种高发光效率的硅基发光器件的b-b’结构示意图；
27.图4为本实用新型提出的一种高发光效率的硅基发光器件的折射率的结构示意图。
28.图中：1硅基发光器件本体、2p区、3n区、4负极、5正极、6sio2填充料、7挖槽、8底部金属。
具体实施方式
29.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
30.下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
31.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
32.在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
33.参照图1-3，一种高发光效率的硅基发光器件，包括硅基发光器件本体1，硅基发光器件本体1的内部设置有p区2，且硅基发光器件本体1的内部设置有n区3，p区2和n区3的底部外壁设置有pn结，硅基发光器件本体1的内部设置有挖槽7，且挖槽7将pn结周围挖空，硅基发光器件本体1的内部设置有负极4，且硅基发光器件本体1的内部设置有正极5，通过挖槽7工艺，将pn结周围挖空，使得pn结从以前的平面器件变成了凸起的立体器件。
34.本实用新型中，挖槽7的深度和有源区深度相当，且挖槽7的外壁与水平方向的夹角范围为45
°
~63
°
。
35.本实用新型中，挖槽7的内部填充有sio2填充料6，且sio2填充料6为透明材料，在pn结四周槽体内，通过化学气相淀积技术和外延技术，用sio2（二氧化硅）填充。
36.本实用新型中，pn结为周期性排列，为n区（3）和p区（2）交替分布的周期性排列，且pn结的有源区表面设置有底层金属8。
37.本实用新型中，底层金属8将p区2和n区3排列相连，且属排列为纵向排列，pn结p区2和n区3交替相邻的排列方式，可以使得上层金属更容易布线；同时，金属层不会遮挡发光区域，光子可以顺利的发射出器件表面。
38.本实用新型中，负极4位于相邻的两个p区2之间，且负极4位于sio2填充料6的上方。
39.本实用新型中，正极5位于相邻的两个n区3之间，且正极5位于sio2填充料6的上方。
40.pn结通过挖槽变成立体器件之后，结区面积被有效扩大了（主要扩大的部分是挖槽形成的壁面部分，如a-a’侧视图所示的“侧面空间电荷区”），因此pn结的有效发光区域也变大了，这样提高了pn结的发光效率；同时，通过增加a-a’方向挖槽的数量，可以大幅度增加侧面空间电荷区的数量，进一步提高pn结的发光效率。
41.参照图4，槽体内部填充的sio2是一种透明材料，光子可以透过槽体发射到器件外部；同时，槽壁与水平方向的夹角小于63
°
，在这个条件下，由槽一侧发光区域发出的光线到达槽另外一侧之后，大部分会发生全反射，不会被pn结吸收，计算如下：在该条件下，折射光线将全部反射出pn结区：
42.sinβ》槽体折射率/pn结区折射率=1.5/3.4
43.因此计算得出：
44.要达到全反射，入射角β最大值约为27
°
，计算得出槽壁与水平方向夹角θ最大值为
63
°
。
45.同时，为了保证工艺的可行性和芯片面积的充分利用，θ最小值取45
°
。
46.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。