CN107611023B - 一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法，基于离子注入与退火技术，在表面清洗干净的硅基材料——Si基片或SOI基片的硅薄膜上通过3~5次不同能量Si自离子注入，再经调节常规退火或快速热退火不同的参数得到发光性能优异的硅基发光材料。本发明的核心在于利用离子注入技术，依次以剂量相同，能量逐步减小的方式进行Si自离子注入，增加离子注入有源层厚度，获得发光效率高，荧光湮灭速率低以及温度稳定性好的硅基发光材料。

Description

一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法

技术领域

本发明为一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法，属于硅基发光材料的制备领域。

背景技术

硅基材料由于其间接带隙性质导致其辐射复合发光行为通常需要通过声子辅助来实现，导致其在光电集成领域一直止步不前。目前，为了改善硅基材料发光性能利用缺陷工程对其发光改性的途径成为材料科学领域主要集中研究的热点。以离子注入为代表缺陷工程，通过离子注入向晶体Si中引入缺陷，不同种类的缺陷及团簇可在禁带中形成位置和宽度不同的杂质(或缺陷)亚能级，使材料中的电子和空穴就能够在亚能级直接辐射复合发光，从而摆脱声子对硅基材料发光的巨大影响。同时，离子注入工艺也是目前大规模集成电路以及半导体CMOS原件必不可少的工艺，可见其对于全硅基光电集成拥有巨大潜力。因此，通过离子注入改善硅基材料也成为目前国内外研究热点。

仅通过对注入剂量、退火温度等的调控，国内外许多研究团队就观察到了Si+离子自注入硅基材料类型丰富(十余种)的发光行为。目前，通过离子注入已经得到一些较好发光性能的样品，尽管这些研究进展对改善硅基材料发光都具有举足轻重的作用，但是它们的外量子效率却依然只有GaAs器件的千分之一左右，并且大多数发光也仅能在低温下观察到，这对于Si基光电集成实际应用还有部分距离。所以，寻找一种通过自离子注入，得到波段集中，发光效率高，荧光湮灭速率低以及温度稳定性好的硅基材料的方法成为了目前亟待解决的一个问题。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

为了克服自离子注入硅基材料发光效率弱，荧光湮灭速率低的困难。本发明提供了一种新型的自离子注入及快速后退火方法，经多次不同能量将Si离子注入硅基材料，增加发光有源层厚度，增强硅基材料发光性能。该方法不仅能有效提高硅基材料发光效率，增强发光波段选择性，而且其使用的方法与目前大规模Si基集成电路产业化生产方式相匹配，不仅成本更低，而且操作简单，并且不引入异种离子，节能环保，能够高效快捷的制备发光性能优异稳定的硅基材料。本发明解决其技术问题所采用的具体方案是：

1.将经Shiraki标准表面清洗处理的Si基片(或SOI基片)薄膜放置于离子注入机注入台上，注入环境保持真空，室温。离子入射方向与硅薄膜表面法线成7°倾斜。

2.通过离子注入机将Si+引入Si基片硅薄膜(或SOI基片顶层硅薄膜)，注入分3～5次进行，每次Si+注入剂量为1×1013cm-2～1×1016cm-2，注入能量为50keV～250keV，第1次注入选用较大能量，第2、3、4、5次注入能量逐步减小，每次选择的注入能量需先经模拟计算注入分布情况得到，附图1为离子注入示意图。根据不同能量在基片中富集层分布范围，在部分区域注入离子可能相互交叠混杂，运用SRIM软件计算得到各注入能量离子分布范围，选择互不影响区域。

3.注入后样品在氮气氛(或氩气氛)中进行常规热退火或快速热退火处理，常规退火温度为600℃～900℃，退火时间为30～60min；快速热退火温度为300℃～500℃，退火时间为30s～90s。

4.完成材料的制备。

该方法所选Si基片硅薄膜(SOI基片顶层硅薄膜)均选取晶向为(100)的P型单晶，单面抛光。

其中，根据注入基片Si薄膜厚度不同，每次注入能量的选择也必须调整，以顶层硅200nm厚的SOI基片为例，Si离子自注入在能量为110KeV时注入范围达200nm，则此时最大注入能量不能超过110KeV，否则注入离子将引入至SOI埋层氧化硅结构，影响发光性能。

附图说明

图1为离子注入示意图。

图2为通过三次Si自离子注入SOI基片顶层硅薄膜，注入能量依次为110KeV、80KeV、50KeV，再经氮气氛下快速热退火后得到的低温光致发光光谱。

图3为通过五次Si自离子注入p型Si基片硅薄膜，注入能量依次为250KeV、200KeV、140KeV、100KeV、60KeV，再经氮气氛下常规退火后得到的低温光致发光光谱。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例采用Si+自注入到绝缘层上硅薄膜即SOI(Silicon on insulator)基片，其顶层硅厚度210nm，纯度为99.999％、电阻率为10Ω·cm，[100]晶向，p型单晶。中间层是340nm厚的SiO2，底层为厚度为675μm的p型单晶Si。

步骤1：用Shiraki标准清洗对SOI基片进行表面处理。

步骤2：将SOI基片送入离子注入机设备真空注入室。用离子注入机分三次将Si+自注入至SOI顶层硅薄膜，第一次注入能量为110keV，第二次注入能量为80keV，第三次注入能量为50keV，每次注入剂量为1×1014cm-2。离子束与硅薄膜层表面法线之间的夹角为7°，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

步骤3：使用快速退火炉对注入后SOI材料进行退火。在氮气氛或氩气氛下对SOI基片采取退火处理，退火时间为30s，退火温度为500℃。完成材料的制备。

本实施例低温光致发光光谱如图2所示。

实施例2：

步骤1与实施例1相同。

步骤2与实施例1不同之处为，用离子注入机将Si+分三次自注入SOI顶层硅，每次注入剂量为1×1013cm-2。

步骤3与实施例1不同之处为，使用快速热退火炉对经历离子注入后SOI基片进行退火处理，退火时间为60s，退火温度为300℃。

实施例3：

本实施例采用p型[100]晶向单晶Si基片，厚度675μm，纯度为99.999％、电阻率为10Ω·cm。

步骤1：用Shiraki标准清洗对p型Si基片进行表面处理。

步骤2：将Si基片送入离子注入机设备真空注入室。用离子注入机分五次将Si+自注入硅薄膜层，第一次注入能量为250keV，第二次注入能量为200keV，第三次注入能量为140keV，第四次注入能量为100keV，第五次注入能量为60keV，每次注入剂量为1×1016cm-2。离子束与硅薄膜层表面法线之间的夹角为7°，整个注入过程在真空、室温环境下进行。

步骤3：使用退火炉对注入后Si基片进行常规退火。在氮气氛或氩气氛下对Si基片采取退火处理，退火时间为30min，退火温度为700℃。完成材料的制备。

本实施例低温光致发光光谱如图3所示。

实施例4：

步骤1、步骤2与实施例3相同。

步骤3与实施例3不同之处为，使用退火炉对经历离子注入后Si基片进行常规退火处理，退火时间为60min，退火温度为900℃。

Claims (2)

1.一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法，其特征在于：

步骤为：

(1)使用Shiraki标准清洗法对硅基材料进行清洗，硅基材料为p型Si基片硅薄膜、SOI基片顶层硅薄膜；

(2)在硅基材料Si薄膜利用离子注入机进行3-5次能量Si自离子注入，能量为50KeV～250KeV，每次注入能量依次减小，每次注入相同剂量，剂量为1×10¹³cm^-2～1×10¹⁶cm^-2；

(3)对自注入后的p型Si基片进行常规退火处理，退火温度为600℃～900℃，退火时间为30～60min；对自注入后的SOI基片进行快速热退火处理，退火温度为300℃～500℃，退火时间为30～90s。

2.根据权利要求1所述的一种Si自离子注入硅基材料改善发光性能的方法，其特征在于，所述硅基材料为p型Si基片硅薄膜、SOI基片顶层硅薄膜，其中p型Si基片硅薄膜晶向为[100]，厚度675μm，纯度为99.999％、电阻率为10Ω·cm；SOI基片顶层硅薄膜为[100]晶向，p型单晶，厚度210nm，纯度为99.999％、电阻率为10Ω·cm，中间层是340nm厚的SiO₂，底层为厚度为675μm的单晶Si。