CN100496177C - 包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，在稀土离子注入的基础上，利用大剂量的杂质离子注入的办法在硅基二氧化硅薄膜里引入大量的非桥键氧原子，这种非桥键氧原子和稀土离子结合形成有效的稀土发光中心，其中包括：一p-型或n-型硅衬底；一掺杂层，该掺杂层制作在硅衬底上，该掺杂层是在硅衬底上生长的二氧化硅上用离子注入的方法形成的，该掺杂层是发光器件的有源区；一n-型或p-型多晶硅层，该n-型或p-型多晶硅层制作在掺杂层上；一二氧化硅隔离层，该二氧化硅隔离层生长在掺杂层和多晶硅层上；一电极，该电极制作在n-型或p-型多晶硅层上；另一电极，该电极制作在p-型或n-型硅衬底上；在二氧化硅隔离层表面留有一出光口。
Description
技术领域
本发明涉及一种电致发光器件和制备方法，特别涉及一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件及制备方法。
背景技术
随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片的集成度越来越高。人们的生活、生产和国防等方方面面要求越来越快的集成电路芯片运算速度。但是由于最近20年来集成电路工艺线宽的急剧减小，单个MOS晶体管的运算速度越来越快，靠改善单个晶体管的运算速度来提高集成电路芯片的运算速度却由于物理效应的因素马上就要达到极限；而且随着芯片集成度的提高，制约芯片运算速度的往往不是单个晶体管的运算速度，更多地来自于晶体管之间信号传递的延迟。这种延迟是由于充当晶体管之间的连线的金属材料导致的布线电容所造成的。随着集成度的增加，金属连线的长度越来越长。现在的英特尔奔四(Pentium IV)CPU芯片上金属连线的长度已经达到5千米，在将来还会进一步增加。连线的长度越长，信号在传输线上的延迟也就越大。所以要增加芯片的运算速度，必须想办法改善芯片的晶体管之间的信号传递的效率。
相对于利用电子来实现信号传输上不可避免的延迟效应，如果采用光子作为信号传输的载体，则可以避免信号延迟的问题。由于硅集成电路工艺已经发展得非常成熟，采用与硅基材料兼容度很差的III-V族材料作为光子信号产生的有源层从工艺上和集成度上来说是不现实的。所以要解决将来的集成电路工艺发展的瓶颈问题，出路只能是实现与现有硅集成电路工艺完全兼容的硅基高效发光器件。
在硅基高效发光薄膜材料的制备工艺中，杂质掺杂一直是最重要的几种手段之一。这是由于硅基系列材料为间接带隙半导体，跃迁需要声子的辅助，是一个多体过程，跃迁几率很低，所以硅基材料的本征室温发光量子效率不到万分之一。因此要提高硅基薄膜的发光强度，一般都是通过引入外来杂质元素来实现。据文献报道，硅基稀土掺杂薄膜材料实现了外量子效率可同III-V族化合物半导体材料制作的发光二极管相媲美的电注入发光器件。
然而，硅基稀土材料掺杂也有它的局限性，这就是它的有效掺杂浓度不能太高，高的掺杂浓度往往导致稀土离子的团簇化而发生浓度淬灭，进而导致发光特性的急剧下降。研究证实，在硅基材料中稀土杂质的浓度即使只是达到1018/cm3时候即发生浓度淬灭，而且，在一般的硅基薄膜材料研究体系中，要实现有效的稀土材料掺杂和可容忍的浓度淬灭，掺杂的稀土杂质离子的原子百分比在0.1％以下。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件及制备方法。其核心是在硅基二氧化硅薄膜材料中离子注入掺杂稀土材料的基础上进行适当比例的其它杂质元素的注入。通过这种办法，可以有效的提高硅基二氧化硅薄膜材料中具有光学活性的稀土离子的浓度，从而实现高效的稀土掺杂硅基薄膜材料的发光，并在此基础上利用这种高效硅基发光材料制备出金属-氧化物-半导体(MOS)结构的硅基电致发光器件。它的优点在于与现有的微电子工艺完全兼容，工艺简单，容易实现。
本发明一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，在稀土离子注入的基础上，利用大剂量的杂质离子注入的办法在硅基二氧化硅薄膜里引入大量的非桥键氧原子，这种非桥键氧原子和稀土离子结合形成稀土发光中心，其特征在于，其中包括：
一p-型或n-型硅衬底；
一掺杂层，该掺杂层制作在p-型或n-型硅衬底上，该掺杂层是在p-型或n-型硅衬底上生长的二氧化硅薄膜上用离子注入的方法注入杂质离子和稀土离子形成的，该掺杂层是发光器件的有源区；
一n-型或p-型多晶硅层，该n-型或p-型多晶硅层制作在掺杂层上；
一二氧化硅隔离层，该二氧化硅隔离层生长在掺杂层和n-型或p-型多晶硅层上；
一电极，该电极制作在n-型或p-型多晶硅层上；
另一电极，该电极制作在p-型或n-型硅衬底上；
在二氧化硅隔离层表面留有一出光口。
其中所述的掺杂层中注入的稀土离子从钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥这16种稀土离子中选择，选择其中一种稀土离子或它们的组合。
其中所述的掺杂层中注入的杂质离子包括：硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、铋或它们的组合。
本发明一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：选择一n-型或p-型的硅衬底；
步骤S20：在硅衬底表面生长一层二氧化硅薄膜；
步骤S30：通过离子注入手段将稀土离子和杂质离子注入到二氧化硅薄膜中；
步骤S40：在不同的温度、气氛下退火，制备出室温发光硅基二氧化硅薄膜材料；
利用这种硅基发光材料，制备出金属-氧化物-半导体结构的硅基电致发光器件。
其中所述的稀土离子从钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥这16种稀土离子中选择，选择其中一种稀土离子或它们的组合。
其中所述的杂质离子包括：硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、铋或它们的组合。
其中硅基二氧化硅薄膜的化学表示式为SiOx，x的取值在1到2之间。
其中注入离子时，选择原位加热；或选择在注入离子之后再在高温100℃到1100℃下不同气氛下退火。
其中退火气氛选择惰性气氛和/或还原气氛退火，或选择在真空条件下退火，或选择氧气气氛退火。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是利用大剂量杂质离子和稀土离子共同注入到硅基二氧化硅薄膜中制备硅基高效室温发光SiO2薄膜材料的流程图；
图2是制备出的Al3+，Yb3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气保护气氛下不同温度30分钟退火之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为27
3赫兹；
图3是制备出的P3+，Yb3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；
图4是制备出的Al3+，Tb3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后然后再同样温度下氧气气氛退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氙灯，光源波长为243纳米；
图5是制备出的Al3+，Er3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；
图6为在采用稀土离子注入和大剂量的杂质离子注入形成的硅基稀土掺杂发光材料的基础上制备硅基金属-氧化物-半导体(MOS)结构的电致发光器件的示意图。
具体实施方式
本发明在我们多次实验的基础上，提出一种与现有微电子工艺完全兼容的可以实现高效室温发光的硅基稀土掺杂发光材料和包含这种材料的电致发光器件。研究表明，适当比例的杂质元素的加入可以显著增加硅基二氧化硅薄膜中有效的稀土材料掺杂度，并实现了稀土掺杂硅基二氧化硅薄膜材料的室温高效发光；与没有掺入杂质元素相比，发光强度和温度淬灭效应有明显的改善。
请参阅图6所示，本发明一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，在稀土离子注入的基础上，利用大剂量的杂质离子注入的办法在硅基二氧化硅薄膜里引入大量的非桥键氧原子，这种非桥键氧原子和稀土离子结合形成有效的稀土发光中心，其中包括：
一p-型或n-型硅衬底10；
一掺杂层20，该掺杂层20制作在硅衬底10上，该掺杂层20是在硅衬底10上生长的二氧化硅上用离子注入的方法形成的，该掺杂层20是发光器件的有源区；其中所述的掺杂层20中注入的稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)或它们的组合；其中所述的掺杂层20中注入的杂质离子包括：硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)或它们的组合；其中注入到二氧化硅薄膜中杂质离子的掺杂浓度与稀土离子的掺杂浓度的比值在0.1到20之间；
一n-型或p-型多晶硅层30，该n-型或p-型多晶硅层30制作在掺杂层20上；
二氧化硅隔离层40生长在掺杂层20和n-型多晶硅层30上；
一电极60，该电极60制作在n-型或p-型多晶硅层30上；
另一电极50，该电极50制作在p-型或n-型硅衬底10上；
在二氧化硅隔离层40表面留有一出光口。
请参阅图1所示本发明一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤S10：基于n-型或p-型的硅衬底1；
步骤S20：在硅衬底1表面生长一层二氧化硅薄膜2；其中硅基二氧化硅薄膜2通过硅片热生长、在硅片表面通过等离子体增强化学汽相淀积、磁控溅射等方法制备；其中硅基二氧化硅薄膜2的化学表示式为SiOx，x的取值在1到2之间。
步骤S30通过离子注入手段将稀土离子和杂质离子注入到二氧化硅薄膜2中；其中所述的稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)或它们的组合；其中所述的杂质离子包括：硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)或它们的组合；其中注入到二氧化硅薄膜中杂质离子的掺杂浓度与稀土离子的掺杂浓度的比值在0.1到20之间；
步骤S40：在不同的温度、气氛下退火，制备出高效的室温发光硅基二氧化硅薄膜材料；
利用这种高效硅基发光材料，制备出金属-氧化物-半导体结构的硅基电致发光器件。
其中注入离子时，选择原位加热；或选择在注入离子之后再在高温1
00℃到1100℃下不同气氛下退火；退火气氛选择惰性气氛和/或还原气氛退火，或选择在真空条件下退火，或选择氧气气氛退火。
图2为硅基高效室温发光Al3+，Yb3+/SiO2薄膜材料的室温荧光光谱，采用的激发光源为氩离子激光器，光源波长采用488纳米，功率选择为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹。其中Al3+，Yb3+/SiO2薄膜材料的制备条件为：300纳米厚的二氧化硅层通过干氧氧化生成，在室温下进行大剂量的离子注入，注入参数为：Yb3+离子，注入电压450千伏，注入剂量3×1015/cm2；Al3+离子，注入电压82千伏，注入剂量1.8×1016/cm2，然后在高纯氮气保护气氛下不同温度退火30分钟。
图3是制备出的P3+，Yb3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；其中P3+，Yb3+/SiO2薄膜材料的制备条件为：300纳米厚的二氧化硅层通过干氧氧化生成，在室温下进行大剂量的离子注入，注入参数为：Yb3+离子，注入电压450千伏，注入剂量3×1015/cm2：P3+离子，注入电压119千伏，注入剂量4.29×1016/cm2，然后在高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟。
图4是制备出的Al3+，Tb3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后然后再同样温度下氧气气氛退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氙灯，光源波长为243纳米；其中Al3+，Tb3+/SiO2薄膜材料的制备条件为：40纳米厚的二氧化硅层通过干氧氧化生成，在室温下进行大剂量的离子注入，注入参数为：Tb3+离子，注入电压40千伏，注入剂量1.1×1015/cm2；Al3+离子，注入电压30千伏，注入剂量1×1016/cm2，然后在高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后然后在同样温度下氧气气氛退火30分钟。
图5是制备出的Al3+，Er3+/SiO2薄膜材料在经过高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟之后样品的室温荧光光谱，激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；其中Al3+，Er3+/SiO2薄膜材料的制备条件为：300纳米厚的二氧化硅层通过干氧氧化生成，在室温下进行大剂量的离子注入，注入参数为：Er3+离子，注入电压450千伏，注入剂量3×1015/cm2；Al3+离子，注入电压80千伏，注入剂量1.6×1016/cm2，然后在高纯氮气和氢气还原气氛下800℃退火30分钟。
图6为在采用稀土离子注入和大剂量的杂质离子注入形成的硅基稀土掺杂发光材料的基础上制备硅基金属-氧化物-半导体(MOS)结构的电致发光器件的示意图。具体的方法为：在p+型(n+型)硅片衬底10上通过热氧化形成二氧化硅层20，然后采用稀土离子注入和大剂量的杂质离子注入；在合适的温度和气氛退火的基础上，利用等离子体化学气相淀积(PECVD)在二氧化硅层20上淀积一层300纳米厚的n+型(p+型)多晶硅层30；在多晶硅层30上面利用PECVD生长一层200纳米厚的二氧化硅层40作为电极50、60之间的隔离层；在隔离层40上刻蚀出两个圆心为同一点的不同半径大小的圆环窗口，一个刻蚀到硅衬底10表面，另外一个刻蚀到多晶硅层30表面。最后在上表面淀积一层作为电极50、60的金属铝，通过在氮气气氛下低温退火形成良好的欧姆接触，即可制备出硅基稀土掺杂发光材料金属-氧化物-半导体(MOS)结构的电致发光器件。
Claims (9)
1、一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，在稀土离子注入的基础上，利用大剂量的杂质离子注入的办法在硅基二氧化硅薄膜里引入大量的非桥键氧原子，这种非桥键氧原子和稀土离子结合形成稀土发光中心，其特征在于，其中包括：
－p-型或n-型硅衬底；
－掺杂层，该掺杂层制作在p-型或n-型硅衬底上，该掺杂层是在p-型或n-型硅衬底上生长的二氧化硅薄膜上用离子注入的方法注入杂质离子和稀土离子形成的，该掺杂层是发光器件的有源区；
－n-型或p-型多晶硅层，该n-型或p-型多晶硅层制作在掺杂层上；
－二氧化硅隔离层，该二氧化硅隔离层生长在掺杂层和n-型或p-型多晶硅层上；
－电极，该电极制作在n-型或p-型多晶硅层上；
另一电极，该电极制作在p-型或n-型硅衬底上；
在二氧化硅隔离层表面留有一出光口。
2、根据权利要求1所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，其特征在于，其中所述的掺杂层中注入的稀土离子从钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥这16种稀土离子中选择，选择其中一种稀土离子或它们的组合。
3、根据权利要求1所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件，其特征在于，其中所述的掺杂层中注入的杂质离子包括：硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、铋或它们的组合。
4、一种包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：选择一n-型或p-型的硅衬底；
步骤S20：在硅衬底表面生长一层二氧化硅薄膜；
步骤S30：通过离子注入手段将稀土离子和杂质离子注入到二氧化硅薄膜中；
步骤S40：在不同的温度、气氛下退火，制备出室温发光硅基二氧化硅薄膜材料；
利用这种硅基发光材料，制备出金属-氧化物-半导体结构的硅基电致发光器件。
5、根据权利要求4所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，其中所述的稀土离子从钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥这16种稀土离子中选择，选择其中一种稀土离子或它们的组合。
6、根据权利要求4所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，其中所述的杂质离子包括：硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑、铋或它们的组合。
7、根据权利要求4所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，其中硅基二氧化硅薄膜的化学表示式为SiOx，x的取值在1到2之间。
8、根据权利要求4所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，其中注入离子时，选择原位加热；或选择在注入离子之后再在高温100℃到1100℃下不同气氛下退火。
9、根据权利要求4所述的包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件的制备方法，其特征在于，其中退火气氛选择惰性气氛和/或还原气氛退火，或选择在真空条件下退火，或选择氧气气氛退火。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090603 Termination date: 20100723 |