CN101916718A

CN101916718A - 用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法

Info

Publication number: CN101916718A
Application number: CN 201010181858
Authority: CN
Inventors: 杨宇; 王茺; 韦冬; 李亮; 熊飞
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明涉及一种用Si⁺自注入制备室温下硅晶体D₁线发光材料的方法，属于光电子技术领域。本方法具体步骤为：a.用离子注入机将Si⁺作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量为100keV-300keV；注入整个过程在真空、室温环境下进行；b.对注入Si⁺离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度700-1100℃，退火时间为1-20小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温D1线强发光的硅材料。本发明突出的优点在于：用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Si基CMOS集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光电子-微电子集成工程的实现奠定了基础。

Description

用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法

技术领域：

本发明涉及半导体光电材料的制备方法，具体涉及使用Si⁺自注入在晶体硅中形成室温高效的D₁线发光新技术，属于光电子技术领域。

背景技术

Si是实现光电子-微电子集成工程的最佳候选材料。因为除易于兼容和集成的优点外，Si基光电材料与其它光电材料相比还具有成本低廉、可靠性高以及功能扩展性强等的特点。但是硅是间接带隙的半导体，即导带底和价带顶的空间波矢不同。所以，为了满足动量守恒，来自导带底的电子和来自价带顶的空穴的复合必须有声子的参与，而这种三个粒子参与的复合过程使得发光效率大为降低。近20年来，人们一直在为增强Si材料的发光而不懈探索。

目前，发展硅基发光材料的研究主要有离子注入单晶硅、离子束溅射生长Si/Ge量子点、及化学腐蚀制作成多孔硅。其中，离子注入法具有与大规模集成电路工艺兼容、能精确控制注入离子的浓度和分布、在较低温度下能进行操作的突出优点。近年来，在采用离子注入技术和匹配的退火工艺处理后的Si中发现了一些新颖物理和光学特性，这使得离子注入硅晶体成为一个热点研究领域。

据文献报道，目前采用离子注入技术注入硅晶体发光的离子主要包括稀土离子Er⁺、IV族元素C⁺、Ge⁺，以及B、S、P常规离子。在采用以上离子注入硅使其发光的研究中，虽然取得了一些成果，但仍然没有突破性的进展。如掺铒硅能获得波长为1.54μm的光致发光，但是由于Er的原子量很大，必须采用高能量注入机，同时由于Er在Si晶体中的固溶度较低(＜1×10¹⁸cm^-3)，因而导致其发光效率很低。又如将注入B⁺的硅晶体制作成Si发光二极管，发光响应时间为～18μs，器件的室温外量子效率～2×10^-4，如果计及器件的边反射，据称外量子效率达10^-3，即约为GaAs的1/10。因此需要探索研究新型的注入离子，使其注入硅晶体后能高效发光。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种与现行Si集成电路完全兼容的用Si⁺自注入在晶体硅中形成室温高效的D₁线发光新技术，以获得亮度强，稳定性好，可在室温下D₁线发光硅材料。

本发明通过下列技术方案实现：

用Si⁺自注入制备室温下硅晶体D₁线发光材料的方法，包括采用离子注入机在室温、真空环境下将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量为100keV-300keV。注入完成后，在氮或氩气氛下对注入后的硅晶采取退火处理，退火温度700℃-1100℃，退火时间为1-20小时。

所述的离子注入硅基过程，预先用现有技术对硅基底材料进行处理：

A、选择晶向为100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟，除去基底表面有机物和无机物杂质；

B、将清洗过的Si基底材料，先用H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH₃OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶4的溶液煮沸10分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO₃煮沸3分钟，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL∶H₂O₂∶H₂O＝3∶1∶1的溶液煮沸5分钟，再用HF∶H₂O＝1∶20的溶液浸泡30s-60s，最后用高纯氮气吹干。

上述步骤得到的硅晶体D₁线发光的材料，基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。

本发明突出的优点在于：用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Si基CMOS集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光电子-微电子集成工程的实现奠定了基础。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

本发明是一种用Si⁺自注入在晶体硅中形成室温高效的D₁线发光新技术。通过向硅晶体中自注入Si⁺，来获得D₁强发光的室温工作硅材料，具体步骤如下：

步骤1：选取晶向为(100)的P型单晶Si片，单面抛光。

步骤2：用现在有方法对硅基底材料进行处理

步骤3：Si⁺离子注入Si基

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹³cm^-2，注入能量为200keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

步骤4：对离子注入后的Si基退火处理

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度700℃，退火时间为1小时。

实施例2：

步骤1、步骤2、步骤4与实施例1相同。

步骤3：

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹⁴cm^-2，注入能量为200keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

实施例3：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹⁵cm^-2，注入能量为200keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

实施例4：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹⁶cm^-2，注入能量为200keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

实施例5：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹⁵cm^-2，注入能量为100keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

实施例6：

基本同实施例1。不同之处为：

用离子注入机将Si⁺自注入硅基片，其注入剂量为10¹⁵cm^-2，注入能量为300keV，离子束里硅片之间的夹角为7°，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

实施例7：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900℃，退火时间为1小时。

实施例8：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900℃，退火时间为2小时。

实施例9：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度1000℃，退火时间为3小时。

实施例10：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度1100℃，退火时间为1小时。

实施例11：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800℃，退火时间为5小时。

实施例12：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800℃，退火时间为10小时。

实施例13：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800℃，退火时间为15小时。

实施例14：

基本同实施例2。不同之处为：

在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800℃，退火时间为20小时。

Claims

1.一种用Si⁺自注入制备室温下硅晶体D₁线发光材料的方法，其特征在于本方法通过向硅晶体中自注入Si⁺，获得中心波长处于～1.55μm的室温D₁线强发光的硅材料；具体步骤如下：

a.用离子注入机将Si⁺作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量为100keV-300keV；注入整个过程在真空、室温环境下进行；

b.对注入Si⁺离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度700-1100℃，退火时间为1-20小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温D₁线强发光的硅材料，硅材料基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。