CN109936048B - 一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法、该发光材料及硅基激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺铒(Er)或铒氧(Er/O)的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法及由该方法制成的掺铒或铒氧的硅基发光材料。所述制备方法包括以下步骤：步骤a：对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或者铒离子和氧离子同时注入掺杂(co‑doping)，获得掺铒或铒氧的硅片；以及步骤b：对所述掺铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程。本发明中掺铒或铒氧的硅基发光材料的制备方法，通过深冷退火技术成功实现了硅基半导体材料在1.53μm波段的高效室温光致发光，为硅发光及硅激光光源的成功制备提供了一种可行的技术手段。整个工艺流程可与CMOS工艺相兼容，具备重要的工业应用价值。本发明还进一步提供了一种基于上述深冷退火工艺的掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段激光器。
Description
技术领域
本发明属于半导体硅光电技术领域，涉及一种硅基半导体工艺处理的新方法，尤其涉及一种掺铒或铒氧的硅基发光材料的制备方法。
背景技术
实现硅基光子集成技术以及硅基光电子集成技术，可突破当前微电子技术发展的瓶颈。利用硅基材料制造出高质量、高效率的室温通讯波段发光器件，对光电子学乃至整个信息技术领域均具有重要意义。由于受间接带隙能带结构的限制，本征硅材料表现出很低的发光特性，原则上不能实现硅基光源。目前，对多孔硅、硅纳米晶体和掺铒(Er)或铒氧(Er/O)的硅等硅基改性材料的研究，为实现硅发光甚至硅激光提供了一些可能途径。其中，掺铒或铒氧的硅基发光材料，由于其发光波长位于通信波段且与CMOS工艺完全兼容等诸多优点，长期受到广泛关注。然而，掺铒或铒氧的硅材料，在室温下仍存在非辐射跃迁淬灭等缺陷，发光效率极低，已成为其工业应用的唯一技术瓶颈。
因此，开发一种能大幅提高室温条件下掺铒或铒氧硅发光材料的发光效率的新技术，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法，其采用一种超快速冷却的退火技术，可实现制备的掺铒或铒氧的硅基发光材料在1.53μm附近的高效室温发光。
本发明的一个方面是提供了一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法，包括以下步骤：步骤a：对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或铒离子和氧离子同时注入掺杂，获得掺杂铒或铒氧的硅片；所述单晶硅片为表面有锗外延层的硅片或硅在绝缘层之上的SOI硅片或其它硅基晶圆；以及步骤b：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程。
优选地，步骤a中，铒离子注入能量范围为20keV～1MeV，剂量范围为4×1014～4×1016cm-2。当同时也注入氧离子时，氧离子的注入能量范围为3keV～300keV，剂量范围为1015～1017cm-2。
优选地，步骤b进一步包括：
步骤b1：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行高温处理；和
步骤b2：高温处理后立即进行超快速冷却处理。
优选地，步骤b1中采用通电铜圈对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行电磁加热，步骤b2中采用低温高纯氦气进行超快冷却处理。
优选地，步骤b1中采用激光脉冲开启相(ON phase)进行升温，步骤b2中采用所述激光脉冲关闭相(OFF phase)进行快速冷却处理。
优选地，还包括：步骤b之前对所述掺杂铒或铒氧的硅片表面沉积介电材料薄膜保护层的步骤，以及步骤b之后去除所述保护层的步骤。
优选地，步骤b1中最高温度达到1300℃，步骤b2中降温速率不小于-200℃·s-1，即每秒降温200摄氏度以上。
本发明的另一个方面是提供了一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料，其由根据前述的制备方法制备而成。
本发明的再一个方面是提供了一种掺铒或铒氧的硅基激光器，包括PIN二极管、微盘谐振腔和硅基光波导，所述PIN二极管的I区为前述的掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料。
优选地，所述PIN二极管正向偏置形成电致发光器件，所述微盘谐振腔选择并增强通讯波段光波，所述电致发光器件的发光经所述谐振腔选择并增强，最终形成激光并由所述硅基光波导导出。
本发明的有益效果是通过深冷退火技术成功实现了掺铒或铒氧的硅基半导体材料在1.53μm附近的高效室温光致发光，为硅发光及硅激光光源的成功制备提供了一种可行的技术手段。整个工艺流程可与CMOS工艺相兼容，具备重要的工业应用价值。
附图说明
图1为本发明一实施例的掺铒或铒氧硅基室温通讯波段发光材料的制备方法的流程图。
图2为本发明一实施例的深冷退火装置的结构示意图。
图3(a)为本发明的掺铒氧硅基发光材料的光致发光谱线的温度依赖图，图3(b)为图3(a)中温度为300K时掺铒氧的硅基发光材料的光致发光谱线图。
图4为本发明的掺铒氧硅基通讯波段发光材料的量子效率图。
图5为本发明一实施例的掺铒或铒氧的硅基激光器的结构示意图。
具体实施方式
在下列说明中，为了提供对本发明的彻底了解而提出许多具体细节。本发明可在不具有部分或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了不对本发明造成不必要的混淆，不详述众所周知的过程操作。虽然本发明将结合具体实施例来进行说明，但应当理解的是，这并非旨在将本发明限制于这些实施例。
图1为本发明一实施例的掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料(以下也简称为“掺铒或铒氧的硅基发光材料”)制备方法的流程图。如图1所示，本发明的掺铒(或铒氧)的硅基发光材料制备方法包括如下步骤。
步骤a：选取单晶硅片作为加工基片,对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或者铒离子和氧离子同时注入掺杂，获得掺杂铒或铒氧的硅片。该步骤中，单晶硅片可以为区熔(FZ)单晶硅片(晶向为100)，单面抛光。在其他实施例中也可以选取其它硅片，例如表面有外延锗的锗硅(SiGe)晶圆、硅在绝缘层上(Silion on Insulator)的SOI硅片、有外延锗的SOI硅片等。该步骤中，铒离子注入能量范围为20keV～1MeV，剂量范围为4×1014～4×1016cm-2。优选地，铒离子注入能量为200KeV，剂量为4×1015cm-2。当同时也注入氧离子时，氧离子的注入能量范围为3keV～300keV，剂量范围为1015～1017cm-2。优选地，氧离子的注入能量为30keV，剂量为1016cm-2。模拟表明铒离子(或铒离子和氧离子)主要分布在硅表面以下70nm深度左右。可以采用LC-4型离子注入机对FZ硅片实施铒离子或氧离子注入掺杂。
步骤b：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程。该步骤进一步包括步骤b1：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行高温处理；和步骤b2：高温处理后立即进行超快速冷却处理。
深冷退火处理的一种优选实施方式为如下所述。步骤b1中采用通电铜圈对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行电磁加热，步骤b2中采用低温氦气进行超快冷却处理，该低温氦气可以采用液氮(77K)或其它低温液体进行冷却得到。具体地，可以通过如图2所示意的深冷退火装置进行深冷退火处理。该装置可以采用改进的膨胀系数测量设备，例如以美国TA仪器DIL 805热膨胀相变仪为基础，将其腔体进行适当改造而成。该深冷退火装置具体包括：外层不锈钢套管1，其外部围绕通电铜圈2，该通电铜圈2具有交变电流输入端3和输出端4；以及设置于该外层不锈钢套管1内的内层石英套管5，该内层套管5内形成放置掺杂铒或铒氧的硅片样品的腔体，该腔体具有惰性气体进口6和惰性气体出口7。该通电铜圈2通过加热外层不锈钢套管1对掺杂铒或铒氧的硅片样品8进行高温处理，腔体保持真空，最高温度可达到1300℃。该惰性气体可以为氦气，具体可以为低温高纯氦气(例如浓度99.999％)，可以对样品进行接触式超快降温处理，降温速率大于-200℃·s-1，即每秒降温200摄氏度以上。经过大量实验数据筛选，掺杂铒或铒氧的硅片的最优深冷处理条件为950℃恒温5分钟后，氦气降温平均速率快于-200℃·s-1，时长约5s。
其中，该装置的外层套管的内径≈5mm；内层套管的内径≈3mm，管壁厚度≈0.4mm。对于工业应用，可以定制类似的设备，使其腔体更大，能够处理大尺寸半导体晶圆，比如12英寸晶圆。另外，该外层套管上例如通过焊接设置有热电偶9，用于升降温过程中检测反馈进行精确温度控制。该热电偶型号可以是K型，直径0.25mm。
在优选实施例中，掺铒或铒氧的硅基发光材料制备方法还包括：步骤b之前对所述掺杂铒或铒氧的硅基进行溅射保护层的步骤a’，以及步骤b之后去除该该保护层的步骤b’。保护层例如可以是SiO2薄膜(或者Si3N4，HfO2等)。这里可以采用Delton多靶磁控溅射设备进行SiO2反应溅射，或者采用原子层沉积的方法在样品表面沉积SiO2等介质材料。具体地，可以对掺杂铒或铒氧的硅片进行正反两面SiO2薄膜溅射，SiO2薄膜层为约200nm。去除保护层时，SiO2刻蚀液可以为HF水溶液(质量分数：5％)。
如上所述，本发明的上述深冷技术中采用石英套管，硅片阻挡保护层
(正反面SiO2膜厚各200nm)和腔体真空氛围(高温处理时，真空度可达5×10- 4mbar)三种因素协同作用，可完全杜绝腔体内可能存在的污染源在深冷处理过程中对掺杂铒或铒氧的硅片的不利影响。
另外，本发明的上述深冷技术中采用经液氮充分冷却的氦气对掺杂铒或铒氧的硅片进行接触式超快降温处理，降温速率大于-200℃·s-1，例如-300℃·s-1，速率可高达-1000℃·s-1，甚至更高。高降温速率可将硅本体中的铒离子快速冷冻在光活性位置，解决了传统高温退火工艺中铒离子极易团聚、簇合等现象所导致的发光效率低下的问题。超低沸点的氦气(4.2K，1bar)，经过液氮冷却后，可保持其气体状态，从而保证对目标样品实施更为充分和高效的降温。作为惰性气体，可完全避免氮气或其它气氛在降温时对硅片产生不可避免的污染。在升降温过程中，通过焊接的K型热电偶实时检测腔体温度，反馈到温控仪器，可以保证精确温度控制。
深冷退火处理的另一种优选实施方式是，步骤b1中采用激光脉冲开启相(ONphase)进行升温，步骤b2中利用激光脉冲关闭相(OFF phase)使得掺杂铒或铒氧的硅片样品快速冷却。激光脉冲的产生例如可以采用脉冲KrF准分子激光器，波长为248纳米，脉冲时间为25ns，能量密度为250mJ/pulse，频率为10Hz。
图3(a)为本发明的掺杂铒氧的硅基发光材料光致发光谱线的温度依赖图，横轴为波长，单位纳米，纵轴为光强度，单位为任意单位。图3(b)为图3(a)中温度为300K时所述掺铒氧的硅基材料光致发光强度的谱线图。掺杂铒或铒氧的硅基发光材料的光致发光及温度变化结果由Bruker傅立叶变换红外光谱仪测试得到，光谱仪型号为IFS-80v，探测器为Ge探测器，工作温度为77K。光源为半导体激光器光源，激光器型号为MLL-III-405，波长405±5nm，最大输出功率300mW。随着温度降低，发射光强不断增大，这是由于硅的内量子效率不断提高，但量子效率一般不会超过100％。通常可以认为当温度降到几K的温度时，发光效率最高时的内量子效率接近100％。
图4为本发明的掺杂铒氧的硅基发光材料的量子效率图。掺杂铒氧的硅基发光材料的量子效率可参考S.Watanabe,et al.《应用物理快报》2003,83,4906文献计算得到。如图4所示，假定温度在4K时，掺杂铒氧的硅基发光材料在发光效率最高时内量子效率接近100％，当温度升高到室温300K时，在其它参数不变的条件下发光效率降低了约7倍，因此得到掺杂铒氧的硅基发光材料的室温内量子效率约为14％。而未经过超快冷却的掺铒或铒氧的硅材料发光内量子效率通常在1％以下，这表明超快冷却能极大地提高室温条件下掺铒或铒氧硅发光的内量子效率，使得研制室温高效发光的硅基激光成为可能。
图5是本发明一实施例的掺铒或铒氧的硅激光器的结构示意图。如图5所示，掺铒或铒氧的硅基激光器包括硅基PIN二极管、微盘谐振腔和硅基光波导，该PIN二极管的I区为本发明前述制备方法制备而成的掺铒或铒氧的硅基发光材料。该PIN二极管正向偏置形成电致发光器件，该微盘谐振腔选择并增强通讯波段光波，所述电致发光器件的发光经该谐振腔选择并增强，最终形成激光并由该硅基光波导导出。本实施例中硅基PIN二极管与微盘谐振腔为一体，PIN二极管的电流流向为圆盘径向，掺铒或铒氧的硅基发光区(I区)形成环形(图5中仅示出了掺铒的硅基发光区)。在其它实施例中PIN二极管和谐振腔也可以为其它形状。该硅基光波导用于将PIN二极管和谐振腔发出的激光耦合导出。本实施例中，PIN二极管和圆盘谐振腔以及硅基光波导形成于SO I硅片上，SO I硅片即硅在绝缘层上(Silion onInsulator)的硅片(如图5所示，包括硅、二氧化硅及硅基底三层)。掺铒或铒氧硅基激光器中，由P区注入的空穴和N区注入的电子在本征区通过铒离子的能级进行复合，从而激发出通讯波段的光子。由于高品质圆盘谐振腔的滤波作用，在设定中心波长(例如1536nm)以外的光子很难在谐振腔内得到增强。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。
Claims (8)
1.一种掺铒(Er)或铒氧(Er/O)的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或铒离子和氧离子同时注入掺杂(co-doping)，获得掺杂铒或铒氧的硅片；所述单晶硅片为硅基晶圆，所述硅基晶圆包括表面有锗外延层的硅片和硅在绝缘层之上的SOI硅片；以及
步骤b：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程，步骤b进一步包括：
步骤b1：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行高温处理，最高温度达到1300℃；和
步骤b2：高温处理后立即进行超快速冷却处理，降温速率不小于-200℃·s-1,即每秒降低200摄氏度以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中，铒离子注入能量范围为20keV～1MeV，剂量范围为4×1014～4×1016cm-2；若同时注入氧离子，氧离子注入能量范围为3keV～300keV，剂量范围为1015～1017cm-2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b1中采用通电铜圈对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行电磁加热，步骤b2中采用低温高纯氦气进行超快冷却处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b1中采用激光脉冲开启相(ON phase)进行升温，步骤b2中采用激光脉冲关闭相(OFF phase)进行快速冷却处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：步骤b之前对所述掺杂铒或铒氧的硅片表面沉积介电材料薄膜保护层的步骤，以及步骤b之后去除所述保护层的步骤。
6.一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料，其由根据权利要求1～5中任一项所述的方法制备而成。
7.一种掺铒或铒氧的硅基激光器，其特征在于，包括PIN二极管、微盘谐振腔和硅基光波导，所述PIN二极管的I区为权利要求6所述的掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料。
8.根据权利要求7所述的掺铒或铒氧的硅基激光器，其特征在于，所述PIN二极管正向偏置形成电致发光器件，所述微盘谐振腔选择并增强通讯波段光波，所述电致发光器件的发光经所述谐振腔选择并增强，最终形成激光并由所述硅基光波导导出。
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