CN102051169B - 一种多层全硅发光材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层全硅发光材料，该发光材料是以单晶硅为垫层，在垫层表面依次覆盖有纳晶硅层、非晶硅层和氧化硅层，与现有技术相比，本发明用纳秒激光制备稳定的多层全硅型发光材料，所用的激光束斑以基模为主，可通过光学汇聚系统控制激光束斑线径从一微米到一百微米，加工范围宽；激光脉冲的脉宽控制在60～100纳秒，通过三维微动定位系统可对硅样品实施精确到100nm的定位和扫描加工；用每秒上千个纳秒激光脉冲相干在单晶硅上加工，制备的多层全硅型纳米结构稳定性和重复性好，发光性质有很大的改进，且制备样品的成本低并易于实现大规模产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光子材料技术领域，特别是涉及一种多层全硅发光材料及其制备方法。
背景技术
目前，我们正处于后信息时代，其特点是由电子信息阶段过渡到光子信息阶段，现在已经完成以光子为信息载体的转换过程，如已经实现全光的光纤通信和光通信。当今的发展进入芯片上的光电子集成与芯片级的全光化，这是实现光量子信息处理和光量子信息计算的关键，而作出硅芯片上的用于光互联的光源与传播节点是一项瓶颈性的工作。
众所周知，建立在硅基上的微电子信息产业高度发达，但是受尺寸与功耗的限制，摩尔定律已经到了适用范围的极限。科学家们试图在硅基上建立起全新的光量子信息处理系统，取代现在的微电子信息系统，实现信息时代革命性的跨越。这里，我们要解决几个关键性的问题，一是在什么材料上建立光量子信息处理系统，有些材料特别是半导体材料的光学性质很好（例如砷化镓半导体材料），但是硅材料有很好的基础且属于环保材料，所以最终选择在硅基上建立光量子信息处理系统。二是需要改进硅材料的光学性质，我们知道单晶硅的间接带隙结构致使硅材料的发光效率很低，而改进硅材料的光学性质的途径主要是采用能带工程，制备硅的低维纳米结构获取准直接带隙结构，如纳米硅、多孔硅、锗硅应变层和纳米氧化硅等材料。
令人振奋的是2000年L.Pavesi研究小组的工作实现了氧化硅中镶嵌纳米硅结构的光致发光的光学增益，这奠定了电泵浦和光泵浦全硅基相干光源的基础。但是，归纳起来，国内外近十年的研究工作仍存在问题：在上述材料的制备中存在诸多的不足，如多孔硅不易保存、发光不稳定，纳米硅和锗硅应变层的制备成本高（传统的分子束外延（MBE）方法和化学气相沉积（CVD）方法）、不易产业化等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种易于保存、发光稳定、成本低并易于实现产业化生产的多层全硅发光材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明多层全硅发光材料是以单晶硅为垫层，在垫层表面依次覆盖有纳晶硅层（nc－Si）、非晶硅层（a－Si）和氧化硅层（SiO2）。
上述发光材料的纳晶硅层和非晶硅层的厚度分别为40～60nm，所述氧化硅层的厚度为20～80nm。
前述方法材料的制备方法：取单晶硅片，去除硅片上的氧化硅层，清洗，获取1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒的脉冲激光束，调节脉冲激光束功率密度至产生白色等离子体辉光，在氮气氛围中用调节好的60～80纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品3～5秒，再在氧气氛围中用调节好的80～100纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品6～9秒，然后置于氮气氛围中在1000℃高温下退火10～30秒，自然冷却至室温后置于氧气氛围中在1000℃高温下退火20～60秒，即得。
具体的，上述制备方法为：
（1）预处理：对单晶硅片进行掺杂，形成电阻率2～20欧·厘米的硅片，用氢氟酸除去硅表面在空气中形成的氧化硅层，并用酒精和去离子水清洁表面；
（2）获取脉冲激光束：获取纳秒脉冲激光，倍频镜倍频后在532nm波长激光束斑下调节基模出射，调激光重复率至800～1200次/秒、脉宽60～100纳秒，除掉倍频镜，在1064nm波长激光束下调节汇聚到硅表面上的功率密度至产生白色等离子体辉光；
（3）硅片加工：在氮气氛围中，用调整好的60纳秒脉宽的脉冲激光束照射（2）所获得的单晶硅片3秒钟，再在氧气氛围中用100纳秒脉宽的脉冲激光束照射单晶硅片6秒钟；在氮气氛围条件下，用较短纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片，在表面形成纳晶结构，在充氮气的条件下形成的纳晶缺陷较少；在氧气氛围条件下，用较长纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片，在纳晶结构上形成非晶硅纳米薄膜及氧化层，构建界面缺陷态，在充氧气的条件下形成的纳晶缺陷较多。
（4）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氮气氛围中， 保持1000℃高温退火30秒，自然冷却至室温后再次放入高温退火炉，在氧气氛围条件下，保持1000℃高温退火60秒，即得。样品在氮气氛围条件下进行高温快速退火以控制缺陷态的分布数量，在氧气氛围条件下进行高温快速退火，控制纳晶粒尺寸和氧化程度。
上述技术方案用红外波长的纳秒脉冲激光束在硅表面上制备稳定的氧化硅、非晶硅与含缺陷晶硅（纳晶硅）多层纳米结构。上述技术方案中，用红外波长的纳秒脉冲激光束作用在单晶硅片上产生等离子波，控制脉冲激光重复率在800～1200次/秒，形成相干的等离子体波，在单晶硅表面上形成稳定的氧化硅、非晶硅与纳晶硅层（如图1所示），电子被约束在纳米尺寸的晶粒中，由于QC效应而使能带变为准直接带隙结构，带隙展宽后导带底能级升高成为泵浦能级；氧化硅、非晶硅与纳晶硅之间的界面形成缺陷，在禁带中会形成电子的局域态而构建发光中心。由该结构可获取可见光区很强的光致发光，其发光效率比传统的多孔硅要提高两个数量级，可用于光电子集成硅芯片上的光互联的光源与传播元件。利用量子尺寸效应改变纳米结构尺寸和表面与界面的性状可以实现出光频率的调节。可以通过光子晶体（平面点阵或Percell 腔）选模，组装硅芯片上的LED。由于该结构已实现短波激光泵浦下的光增益，其对应的多能级系统（图2）有希望实现电泵浦下的光增益，从而为硅基上的纳米激光奠定基础。
与现有技术相比，本发明用纳秒激光制备稳定的多层全硅型发光材料，所用的激光束斑以基模为主，可通过光学汇聚系统控制激光束斑线径从一微米到一百微米，加工范围宽；激光脉冲的脉宽控制在60～100纳秒，通过三维微动定位系统可对硅样品实施精确到100nm的定位和扫描加工；用每秒上千个纳秒激光脉冲相干在单晶硅上加工，制备的多层全硅型纳米结构稳定性和重复性好，发光性质在发光强度以及短波激光泵浦下的光增益方面有很大的改进，且制备样品的成本低并易于实现大规模产业化生产。
附图说明
图1是本发明多层全硅发光材料的结构示意图；
图2是多层纳米结构对应的多能级图；
图3是多层全硅发光材料的电镜照片；
图4是发光材料的X-射线结构衍射分析；
图5是发光材料的X-射线能谱成份分析；
图6是光互联芯片正面出光组装方式示意图；
图7是光互联芯片侧面波导出光组装方式示意图；
图8是P型硅上的多层结构电泵浦侧面出光结构图；
图9(a)是发光材料的带谱结构光致发光谱图；
图9(b)是发光材料的尖峰结构光致发光谱图；
图10是514nm波长激光泵浦下的光增益。
具体实施方式
实施例1：用1064nm波长的纳秒脉冲激光束在硅表面上制备稳定的氧化硅、非晶硅与纳晶硅多层纳米结构：
（1）预处理：对单晶硅片进行P型掺杂或N型掺杂，形成电阻率2～20欧·厘米的硅片，用氢氟酸除去硅表面在空气中形成的氧化硅层，并用酒精和去离子水清洁表面；
（2）获取脉冲激光束：用LD泵浦的Nd:YAG固体激光器，采用声光调Q获取纳秒脉冲激光；用KTP晶体实现角度匹配倍频，在532nm波长激光束斑下调节基模出射；将汇聚透镜放至合适位置，汇聚激光束斑到需要的线径；调整脉冲激光重复率调到800～1200次/秒，激光脉冲的脉宽按需要调到60～100纳秒；除掉倍频镜，在1064nm波长激光束下调节汇聚到硅表面上的功率密度至恰好产生白色等离子体辉光；
（3）硅片加工：将单晶硅片固定于样品台上，通过三维微动定位系统对单晶硅片实施精确到100纳米的定位和扫描加工，在氮气氛围条件下，用60纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片3秒钟，再在氧气氛围中用100纳秒脉宽的脉冲激光束照射单晶硅片6秒钟；
（4）高温退火：将用脉冲激光加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氮气氛围中，保持1000℃高温退火30秒，自然冷却至室温后再次放入高温退火炉，在氧气氛围条件下，保持1000℃高温退火60秒，即得。
由图3、图4和图5可知，用上述方法制备的全硅发光材料具有三层结构：纳晶硅层、非晶硅层和氧化硅层，纳晶硅层和非晶硅层的厚度在80～120nm，氧化硅层的厚度在40～80nm。该发光材料结构稳定，发光效率比传统多孔硅提高两个数量级。
实施例2：多层全硅发光材料的应用
用于光互联芯片的组装方式有两种方案：一是直接从平面点阵或Purcell 腔选模后由正面出光，如图6所示，在激发光作用下，由二维光子晶体选模后从正面出光；二是由条形波导从侧面出光，如图7所示，在激发光作用下，由Purcell腔选模后通过条形波导从侧面出光。
用于芯片上电泵浦出光的组装方案为：P型硅多层结构电泵浦侧面出光，如图8所示，在P区镀金膜加负极、在多层结构处镀铝膜加正极分别注入载流子，多层结构增益区侧面出光。
作为在硅芯片上的光互联应用，短波激光泵浦下可获取可见光区的很强的光致发光（如图9所示），可用于光电子集成硅芯片上的光互联的光源与传播元件。改变纳米结构尺寸和表面与界面的性状可以实现出光频率的调节。可以通过光子晶体（平面点阵或Percell 腔）选模，组装硅芯片上的LED。该结构已实现短波激光泵浦下的光增益（图10），可以组装硅芯片上的LD。
Claims (2)
1.一种多层全硅发光材料的制备方法，其特征在于：取单晶硅片，去除硅片上的氧化硅层；获取1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒的脉冲激光束，调节脉冲激光束功率密度至产生白色等离子体辉光，在氮气氛围中用调节好的60～80纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品3～5秒，再在氧气氛围中用调节好的80～100纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品6～9秒，然后置于氮气氛围中在1000℃高温下退火10～30秒，自然冷却至室温后置于氧气氛围中在1000℃高温下退火20～60秒，即得。
2.按照权利要求1所述多层全硅发光材料的制备方法，其特征在于：
（1）预处理：对单晶硅片进行掺杂，形成电阻率2～20欧·厘米的硅片，用氢氟酸除去硅表面在空气中形成的氧化硅层，并用酒精和去离子水清洁表面；
（2）调整脉冲激光束：获取纳秒脉冲激光，倍频后在532nm波长激光束斑下调节基模出射，调激光重复率至800～1200次/秒、脉宽60～100纳秒，除掉倍频镜，在1064nm波长激光束下调节汇聚到硅表面上的功率密度至产生白色等离子体辉光；
（3）硅片加工：在氮气氛围中，用调整好的60纳秒脉宽的脉冲激光束照射所获得的单晶硅片3秒钟，再在氧气氛围中用100纳秒脉宽的脉冲激光束照射单晶硅片6秒钟；
（4）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氮气氛围中， 保持1000℃高温退火30秒，自然冷却至室温后再次放入高温退火炉，在氧气氛围条件下，保持1000℃高温退火60秒，即得。
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| "多孔硅量子点的受激辐射:陷阱态的作用";黄伟其等;《强激光与粒子束》;20090831;第21卷(第8期);1161-1164 * |
| Huang Wei-Qi，et al.."Role of nitrogen and oxygen in emission of Si quantum dots formed by pulse laser".《Chinese Physics B》.2010,第19卷(第9期),097801-1至097801-5. |
| Huang Wei-Qi,et al.."Role of nitrogen and oxygen in emission of Si quantum dots formed by pulse laser".《Chinese Physics B》.2010,第19卷(第9期),097801-1至097801-5. * |
| 黄伟其等."多孔硅量子点的受激辐射:陷阱态的作用".《强激光与粒子束》.2009,第21卷(第8期),1161-1164. |
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