利用原子層沉積技術成長氧化鋁-應用於矽發光二極體之研究

Abstract

直接使用矽半導體製作出高效率之發光二極體，一直是重要地位的研究課題，本論文研究金屬-氧化層-矽半導體(MOS)發光二極體之發光特性。我們利用新穎的薄膜成長技術-原子層沉積技術(Atomic Layer Deposition，ALD)-來成長氧化鋁薄膜，由於ALD技術具有低材料成長溫度、厚度控制精準、薄膜缺陷密度低、無孔洞結構、介面品質良好等優點，因此所成長的高品質氧化層，可以提供優良的表面鈍化效果，藉此抑制元件中的非放光性複合 (nonradiative recombination)能階的密度，矽發光二極體的發光效率可以因此而提升。我們首先研究材料成長溫度對氧化鋁薄膜與矽半導體之介面的影響，得到最佳的氧化鋁成長溫度為100°C，接著使用三甲基鋁(trimethylaluminum)在不同的溫度下，對矽半導體表面做預處理，藉此得到更好的矽半導體與氧化鋁之介面品質。最後在最佳的氧化鋁成長溫度下，我們研究不同厚度的氧化鋁薄膜對發光效率的影響，得到最佳的氧化鋁薄膜厚度為5nm，藉由量測PL (Photoluminescence)頻譜隨溫度變化的情形，我們發現利用ALD成長之氧化鋁薄膜與矽半導體介面之間，具有bound exciton traps，此機制有效抑制非放光性能階的活化能(activation energy)，藉此可以提高MOS發光二極體的外部量子效率。在室溫時利用ALD成長氧化鋁薄膜之MOS元件，其最佳之外部量子效率(external quantum efficiency)可以達到 ，遠超過使用相同基材成長相同厚度之熱氧化層之MOS發光二極體的發光效率。