本发明属于半导体光电器件领域，具体涉及一种利用tio2/金属复合结构改善径向结硅量子点led原型器件，以及提高器件的电流注入效率，增强器件的电致发光强度的方法。
背景技术：
随着半导体芯片的特征尺寸减小，传统的电信号传输出现传输带宽小、抗干扰能力差等问题。与之相对，光信号传输由于其带宽高、功耗低、传输速度快、抗干扰能力强等优点，被认为是当今高性能集成电路芯片的重要发展方向。光互连取代电互连成为大势所趋。通过近十几年的研究，硅基波导、硅基调制器、硅基光电探测等部件都已基本解决；然而作为硅基光互连的核心，即制备与硅基工艺兼容的硅基光源，一直未寻找到满意的解决方案。
硅作为典型的间接带隙半导体材料，其辐射复合需要声子参与，发光效率极低。为解决硅的发光问题，人们相继提出多孔硅发光、硅纳米线发光、缺陷发光、硅量子点发光等多种方案。其中，硅量子点由于其带隙可调、辐射复合效率较大等优点，被认为是实现硅基光源的重要材料。近年来，将纳米线陷光结构与硅量子点结合构建径向结硅量子点电致发光原型器件受到了人们的关注。然而由于纳米线深度较大，器件顶部的电极不能均匀包覆于整根纳米线，而是局限于纳米线的靠近顶部区域，其有效电流注入及发光区域也都局域于器件的顶部。过量电子的局域注入将导致热损失，不利于器件电光效率的提高。
因此，亟需研究一种电极包裹均匀、光电效率高的电致发光器件。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种利用tio2/金属复合层来改善径向结硅量子点led电致发光器件结构，改善了电极接触、提高器件的注入电流并增强了其发光强度的方法，本发明同时给出上述器件的制备方法。
技术方案：一种径向结硅量子点电致发光器件，其特征在于：包括刻蚀有硅纳米线阵列的硅衬底样品，所述样品表面沉积有al2o3钝化层，所述al2o3钝化层表面设有硅量子点/二氧化硅多层膜，所述硅量子点/二氧化硅多层膜表面沉积有tio2层，所述tio2层表面溅射有au层，所述au层上镀有ito电极，所述硅衬底样品的背面蒸镀有铝电极。
本发明还公开了一种径向结硅量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备硅纳米线及al2o3钝化
1.1）利用硝酸银和氢氟酸的混合液对p型硅衬底刻蚀形成硅纳米线阵列，通过控制反应时间来控制硅纳米线的刻蚀长度；
1.2）刻蚀完成之后用硝酸溶液将样品表面杂质清除，再用去离子水清洗、烘干；
1.3）利用原子层沉积技术在刻蚀的硅纳米线表面沉积一层al2o3钝化表面的缺陷；
第二步：制备硅量子点多层膜
将上述钝化后的硅纳米线阵列放于pecvd系统中，交替通入硅烷和氧气以形成非晶硅/二氧化硅多层膜，随后在氮气保护下，经高温退火结晶，形成硅量子点/二氧化硅多层膜结构；
第三步：引入tio2/au复合层及电极制备
3.1）在退火后的样品背面，即p硅衬底底部利用热蒸发蒸镀铝电极，接着将其放入400℃氮气氛围中进行合金化处理；
3.2）将样品放入原子层沉积系统中，沉积一层2~6nm厚度的tio2层；
3.3）利用磁控溅射在tio2上溅射一层2~8nm厚度的au层，溅射功率为60w，时间100s；
3.4）利用磁控溅射技术在样品之上溅射点状ito电极，完成硅径向结硅量子点电致发光器件的制备。
本发明进一步限定的技术方案为：在步骤1.1中，首先对p型硅衬底进行rca标准工艺清洗，随后将其放于刻蚀液中进行12分钟的刻蚀，刻蚀液为0.2mol/l的agno3溶液：氢氟酸：去离子水=1:2.5:6.5比例配制，其刻蚀得到的纳米线高度为700nm。
作为优选，在步骤1.3中，利用ald原子层沉积系统在纳米线上生长6nm的al2o3薄膜。
作为优选，在第二步包括：
2.1）将氧化铝钝化的硅纳米线置于pecvd生长系统中，交替通入硅烷和氧气以完成非晶硅/氧化硅制备：生长温度为250℃，功率源频率为13.56mhz，功率为20w，硅烷流量为5sccm，每周期生长时间为90s，预计生长厚度为6-8nm；氧气流量为20sccm，原位氧化时间为90s，预计生长厚度为3nm；非晶硅/二氧化硅的周期为6个；
2.2）将样品置于管式退火炉内在氮气氛围中进行脱氢处理；
2.3）在1000℃氮气氛围中退火1小时，非晶硅子层晶化最终形成纳米硅量子点/二氧化硅多层膜。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）在制备硅量子点/二氧化硅多层膜后，在其上再通过磁控溅射的方法覆盖一层金薄膜，这样做缓解了由于过量注入电子局域于纳米线顶部造成的热损失，提高了器件的电流注入效率；器件的fowler-nordheim隧穿阈值电压明显减小，器件的电致发光性能明显改善。
2）本发明器件制备过程简单、可控、可重复。
3）本发明器件的制备与微电子工艺相兼容，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例中径向结硅量子点电致发光器件结构示意图；
图2为本发明实施例中引入tio2/au复合层前后的径向结硅量子点电致发光器件的i-v特性曲线；
图3为本发明实施例中引入tio2/au复合层前后的径向结硅量子点电致发光器件的电致发光（el）谱。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种径向结硅量子点电致发光器件，包括al电极、p型硅衬底、al2o3钝化层、硅量子点多层膜结构、tio2/金属复合层以及ito电极。该发光器件的制备方法，包括如下步骤：
第一步、硅纳米线制备及钝化
1.1）对p型硅衬底进行rca标准工艺清洗，随后将其放于刻蚀液中进行12分钟的刻蚀。刻蚀液为0.2mol/l的agno3溶液：氢氟酸：去离子水=1:2.5:6.5比例配制，其刻蚀得到的纳米线高度约为700nm。
1.2）刻蚀完毕后，将样品用稀硝酸冲洗两遍，以去除表面的银离子，随后用去离子水清洗干净。
1.3）将样品烘干，并利用ald原子层沉积系统在纳米线上生长约6nm的al2o3薄膜。至此，我们得到了超薄al2o3钝化的硅纳米线结构。
第二步、硅量子点多层膜制备
2.1）将上述得到的氧化铝钝化的硅纳米线，置于pecvd生长系统中，交替通入硅烷和氧气以完成非晶硅/氧化硅制备。其生长温度为250℃，功率源频率为13.56mhz，功率为20w。其中，硅烷流量为5sccm，每周期生长时间为90s，预计生长厚度为6~8nm；氧气流量为20sccm，原位氧化时间为90s，预计生长厚度为3nm。非晶硅/二氧化硅的周期为6个。
2.2）将样品置于管式退火炉内在氮气氛围中进行脱氢处理。
2.3）在1000℃氮气氛围中退火1小时，非晶硅子层晶化最终形成纳米硅量子点/二氧化硅多层膜。
第三步、tio2/au复合层制备及电极蒸镀
3.1）首先在退火后的样品背面，即p硅衬底底部利用热蒸发蒸镀铝电极，接着将其放入400℃氮气氛围中进行合金化处理，以达到较好的电极接触。
3.2）将样品放入原子层沉积系统中，沉积一层厚度2~4nm的tio2层。
3.3）利用磁控溅射在tio2上溅射一层约10nm厚的au层，溅射功率为60w，时间100s。
3.4）利用磁控溅射技术在样品之上溅射点状ito电极，完成硅径向结硅量子点电致发光器件的制备。
考虑到金的费米能级与二氧化硅的导带底之间差距较大，本实施例在金与硅量子点/二氧化硅多层膜之间插入一层氧化钛作为电子传输层。本实施例中对引入tio2/金属复合层结构前后的器件特性做了对比。如图2所示，引入tio2/金属复合层结构后，其（实线）整流特性较引入前（虚线）显著增强，且同等电压下，其注入电流更大。本实施例测量了氧化钛的光电特性，并且通过xps分析了氧化钛弱n型导电特性的原因。通过电致发光性能与反向电压-电流特性曲线得知，氧化钛也能在此作为空穴阻挡层，从而限制空穴在硅量子点中，提高辐射复合几率。在相同偏压下，具有氧化钛的器件电致发光强度最高为原来的2.4倍。
如图3所示，在同等的开压12v下,引入tio2/金属复合层结构后（实线）较引入前（虚线），器件的电致发光强度显著提高。总之，本实施例利用tio2/金属复合层结构，极大改善了器件的性能。该方法不仅仅适用于电致发光器件，在纳米结构太阳能电池、光催化领域均可应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
1.一种径向结硅量子点电致发光器件，其特征在于：包括刻蚀有硅纳米线阵列的硅衬底样品，所述样品表面沉积有al2o3钝化层，所述al2o3钝化层表面设有硅量子点/二氧化硅多层膜，所述硅量子点/二氧化硅多层膜表面沉积有tio2层，所述tio2层表面溅射有au层，所述au层上镀有ito电极，所述硅衬底样品的背面蒸镀有铝电极。
2.一种径向结硅量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备硅纳米线及al2o3钝化
1.1）利用硝酸银和氢氟酸的混合液对p型硅衬底刻蚀形成硅纳米线阵列，通过控制反应时间来控制硅纳米线的刻蚀长度；
1.2）刻蚀完成之后用硝酸溶液将样品表面杂质清除，再用去离子水清洗、烘干；
1.3）利用原子层沉积技术在刻蚀的硅纳米线表面沉积一层al2o3钝化表面的缺陷；
第二步：制备硅量子点多层膜
将上述钝化后的硅纳米线阵列放于pecvd系统中，交替通入硅烷和氧气以形成非晶硅/二氧化硅多层膜，随后在氮气保护下，经高温退火结晶，形成硅量子点/二氧化硅多层膜结构；
第三步：引入tio2/au复合层及电极制备
3.1）在退火后的样品背面，即p硅衬底底部利用热蒸发蒸镀铝电极，接着将其放入400℃氮气氛围中进行合金化处理；
3.2）将样品放入原子层沉积系统中，沉积一层2~6nm厚度的tio2层；
3.3）利用磁控溅射在tio2上溅射一层2~8nm厚度的au层，溅射功率为60w，时间100s；
3.4）利用磁控溅射技术在样品之上溅射点状ito电极，完成硅径向结硅量子点电致发光器件的制备。
3.根据权利要求2所述的径向结硅量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于，在步骤1.1中，首先对p型硅衬底进行rca标准工艺清洗，随后将其放于刻蚀液中进行12分钟的刻蚀，刻蚀液为0.2mol/l的agno3溶液：氢氟酸：去离子水=1:2.5:6.5比例配制，其刻蚀得到的纳米线高度为700nm。
4.根据权利要求2所述的径向结硅量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于，在步骤1.3中，利用ald原子层沉积系统在纳米线上生长6nm的al2o3薄膜。
5.根据权利要求2所述的径向结硅量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于，在第二步包括：
2.1）将氧化铝钝化的硅纳米线置于pecvd生长系统中，交替通入硅烷和氧气以完成非晶硅/氧化硅制备：生长温度为250℃，功率源频率为13.56mhz，功率为20w，硅烷流量为5sccm，每周期生长时间为90s，预计生长厚度为6~8nm；氧气流量为20sccm，原位氧化时间为90s，预计生长厚度为3nm；非晶硅/二氧化硅的周期为6个；
2.2）将样品置于管式退火炉内在氮气氛围中进行脱氢处理；
2.3）在1000℃氮气氛围中退火1小时，非晶硅子层晶化最终形成纳米硅量子点/二氧化硅多层膜。
技术总结