CN101161769A - 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法 - Google Patents

硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101161769A
CN101161769A CNA2006101136502A CN200610113650A CN101161769A CN 101161769 A CN101161769 A CN 101161769A CN A2006101136502 A CNA2006101136502 A CN A2006101136502A CN 200610113650 A CN200610113650 A CN 200610113650A CN 101161769 A CN101161769 A CN 101161769A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
rare earth
silica
earth
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2006101136502A
Other languages
English (en)
Inventor
张建国
王晓欣
成步文
余金中
王启明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CNA2006101136502A priority Critical patent/CN101161769A/zh
Publication of CN101161769A publication Critical patent/CN101161769A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；步骤5：通过退火激活稀土离子。

Description

硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法
技术领域
本发明涉及一种稀土掺杂发光材料制备方法，特别涉及一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法。
背景技术
由于硅材料的间接带隙特性，发光效率很低，人们期待通过各种杂质元素的掺入能够有效的增加硅基材料的发光特性，其中，硅基稀土掺杂受到了特别的重视。
1983年和1985年，德国科学家Ennen在美国应用物理快报上报道了利用离子注入的方法实现硅基材料稀土铒离子的掺杂并观察到来自于稀土铒离子的光致发光和电致发光(美国Applied PhysicsLetters，1983 Vol 43 page 943和1985 Vol 46 page 381)，引发了全世界对于硅基稀土掺杂制备发光材料的热潮。相关的成果他们申报了欧洲专利。
1990年为有效的增加硅基稀土离子的发光性能并改善温度淬灭效应，日本科学家Favennec提出采用共掺O等杂质原子的方法可有效的增加硅基稀土离子掺杂体系的发光(Japanese Journal of AppliedPhysics，Part 2：Letters，v29，n4，Apr，1990，p 524-526)，基于此原理先后实现了室温近红外铒掺硅光致发光和电致发光。
然而，我们的研究发现，即使采用上述方法，也很难观察到来自于稀土离子的发光信号。基于此，我们通过多次研究发现了可重复的实现稀土离子发光的有效掺杂方法。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂的稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成。
本发明一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；
步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；
步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；
步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；
步骤5：通过退火激活稀土离子。
其中硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。
其中稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。
其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子包括氮、氧、或它们的组合。
其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子利用离子注入到硅基材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面实行掺杂，或者通过淀积方法在硅片表面生成一层含杂质离子的硅基薄膜实行掺杂。
其中硅基薄膜中化合物量子点的尺寸在1内米到50纳米之间。
其中硅基薄膜中纳米尺度化合物的分子式为SiOx，SiNy，SiOxNy，其中0＜x，y≤2。
其中退火的温度在200℃到1000℃之间。
其中离子注入时温度在零下200℃到800℃之间。
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是通过常温离子注入的方法首先在硅衬底里注入氧或氮，预先在高温下退火生成纳米尺度的化合物量子点；接着注入稀土离子，再次退火激活稀土离子发光的工艺步骤图。
图2是在常温下依次注入氧和铒的硅片的低温(10K)荧光谱。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；其中一批样品在最先注入氧之后，有一次氮气气氛下的高温退火过程。
具体实施方式
本发明提出一种与现有微电子工艺完全兼容的硅基稀土掺杂发光材料制备方法。采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成。
国际上已经在硅基掺稀土发光材料领域作了大量的工作，一般而言，都是采用稀土离子和杂质离子共掺的办法然后一步退火激活稀土离子、让稀土离子与杂质离子形成络合的发光中心，同时也让硅基材料结晶。这种办法有很明显的缺陷，主要是需要的杂质离子太多。因为化学键Si-O键键能远大于稀土和氧原子之间的键能，因此共掺的氧只有很少一部分能够和稀土离子结合。而大量无效的氧原子的掺入对晶体材料造成了严重的晶格损伤。
在我们这种办法中，氧原子等原子事先引入硅基材料中，通过预退火工艺使之在衬底里面和硅发生反应生成高密度的纳米尺度的二氧化硅纳米粒子同时又不对晶格材料造成严重的损伤。在此基础上，纳米尺度的二氧化硅等纳米粒子可以作为后续稀土离子的成核中心，让稀土离子优选沉积在纳米二氧化硅粒子外围或里面。这种方式生成的稀土离子络合物具有高度的光学活性。此种工艺也与现有的硅基微电子工艺完全兼容。
研究表明，无预退火形成化合物量子点的掺铒样品，光泵情况下无发光产生；相反，有预退火形成化合物量子点的掺铒样品，光泵情况下可实现比较强的发光，相关试验重复性好。
请参阅图1所示，本发明提供一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂的稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成，其特征在于，其中包括：
步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；
硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。
步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；
硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子包括氮、氧、或它们的组合。
硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子利用离子注入到硅基材料表面实行掺杂，或者通过淀积方法在硅片表面生成一层含杂质离子的硅基薄膜实行掺杂
步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；
硅基薄膜中化合物量子点的尺寸在1纳米到50纳米之间。
硅基薄膜中纳米尺度化合物的分子式为SiOx，SiNy，SiOxNy，其中0＜x，y≤2。
步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；
稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。
离子注入时温度在零下200℃到800℃之间。
步骤5：通过退火激活稀土离子；
退火的温度在200℃到1000℃之间。
图2是在常温下依次注入氧和铒的硅片的低温(10K)荧光谱。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；其中一批样品在最先注入氧之后，有一次氮气气氛下的高温退火过程。

Claims (9)

1.一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；
步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；
步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；
步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；
步骤5：通过退火激活稀土离子。
2.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。
3.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。
4.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子包括氮、氧、或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子利用离子注入到硅基材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面实行掺杂，或者通过淀积方法在硅片表面生成一层含杂质离子的硅基薄膜实行掺杂。
6.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基薄膜中化合物量子点的尺寸在1纳米到50纳米之间。
7.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基薄膜中纳米尺度化合物的分子式为SiOx，SiNy，SiOxNy，其中0＜x，y≤2。
8.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中退火的温度在200℃到1000℃之间。
9.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中离子注入时温度在零下200℃到800℃之间。
CNA2006101136502A 2006-10-11 2006-10-11 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法 Pending CN101161769A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA2006101136502A CN101161769A (zh) 2006-10-11 2006-10-11 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA2006101136502A CN101161769A (zh) 2006-10-11 2006-10-11 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101161769A true CN101161769A (zh) 2008-04-16

Family

ID=39296756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2006101136502A Pending CN101161769A (zh) 2006-10-11 2006-10-11 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101161769A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102832267A (zh) * 2012-09-06 2012-12-19 西安隆基硅材料股份有限公司 含有上转换发光量子点的晶体硅及其制备方法
CN114300938A (zh) * 2021-12-30 2022-04-08 北京工业大学 一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102832267A (zh) * 2012-09-06 2012-12-19 西安隆基硅材料股份有限公司 含有上转换发光量子点的晶体硅及其制备方法
CN102832267B (zh) * 2012-09-06 2014-11-26 西安隆基硅材料股份有限公司 含有上转换发光量子点的晶体硅及其制备方法
CN114300938A (zh) * 2021-12-30 2022-04-08 北京工业大学 一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Garskaite et al. Luminescent properties of rare earth (Er, Yb) doped yttrium aluminium garnet thin films and bulk samples synthesised by an aqueous sol–gel technique
Yu et al. Sol–gel synthesis and photoluminescent properties of LaPO 4: A (A= Eu 3+, Ce 3+, Tb 3+) nanocrystalline thin films
Isshiki et al. Self-assembled infrared-luminescent Er–Si–O crystallites on silicon
Zhang et al. Green upconversion luminescence in Er 3+: BaTiO 3 films
Shin et al. Composition dependence of room temperature 1.54 μ m Er3+ luminescence from erbium-doped silicon: oxygen thin films deposited by electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition
Sopinskyy et al. Electroluminescence in SiOx films and SiOx-film-based systems
JP2002537647A (ja) 希土類イオンをドープした窒化ガリウムおよび可視光発光を達成する方法および構造
CN111205863A (zh) 一种真空低温制备粉末状稀土掺杂无机钙钛矿量子点的方法
Bian et al. Effects of post-annealing on photoluminescence of Eu-doped ZnO microsphere for single-component white-light materials
CN100501922C (zh) Simox基板的制造方法
Xu et al. Electroluminescent polycrystalline Er-doped Lu3Al5O12 nanofilms fabricated by atomic layer deposition on silicon
Ma et al. Crystallization and electroluminescence performance of the Er-doped polycrystalline Gd3Ga5O12 nanofilms fabricated by atomic layer deposition on silicon
Zhang The influence of post-growth annealing on optical and electrical properties of p-type ZnO films
CN101161769A (zh) 硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法
CN101170847A (zh) 硅基稀土掺杂电致发光器件
CN1092699C (zh) 发光的铁钝化多孔硅的水热制备方法
Dan et al. Local microstructure and photoluminescence of Er-doped 12CaO· 7Al2O3 powder
CN113113844B (zh) 用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料及其制备方法
Su et al. Multicolor light emission of GdVO4: Ln3+ nanorods by a single-wavelength excitation
CN111377455B (zh) 一种长发光寿命硅酸铒及其制备方法
CN100496177C (zh) 包含硅基稀土掺杂发光材料的电致发光器件及制备方法
CN113564709B (zh) 一种金属杂质原子掺杂的硅酸铒及其制备方法和应用
Xu et al. Single-Crystal Terbium Silicate Chloride Core–Shell Nanowires and Nanotubes for Monolithically Integrated Optoelectronics
CN101153217B (zh) 稀土复合离子注入发光材料制备方法
Han et al. Sol–gel deposition and luminescence properties of lanthanide ion-doped Y 2 (1-x) Gd 2x SiWO 8 (0≤ x≤ 1) phosphor films

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080416