CN115895647B - 一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及硅基光电集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺铒硅纳米材料，所述掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内且具有光学活性，所述纳米硅为金刚石结构，所述纳米硅（111）晶面的晶面间距为0.315～0.320 nm；所述掺铒硅纳米材料的掺Er³⁺浓度≥10¹⁸ cm^‑3，并发出中心波长为1540 nm附近波长的光。此外，Er³⁺发光的温度淬灭指数≤30%。该掺铒硅纳米材料通过非热等离子体法（non‑thermal plasma）制备。本发明制得的掺铒硅纳米材料同时实现了低温度淬灭指数和高发光强度，对于实现硅基光电集成中的硅基光源具有重大意义。

Description

一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及硅基光电集成电路

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及包含所述掺铒硅纳米材料的硅基光电集成电路。

背景技术

在后摩尔时代，集成电路面临着电互连导致的延时和功耗方面的限制。硅基光电集成被认为是一个很有潜力的实现信息高速传输、解决电互连瓶颈的方向，但是，目前仍然缺少高效的硅基光源，阻碍了硅基光电集的发展与应用。所述的硅基光源是指含硅元素的光源。由于硅基光源的光学信号是通过石英光纤进行传导的，而石英光纤的最小光损窗口位于1450～1600nm(Kenyon A J.Recent Developments in Rare-Earth Doped Materialsfor Optoelectronics[J].Progress in Quantum Electronics,2002,26(4–5):225–284.)，因此，硅基光源的发光波长也应该位于1450～1600nm，以避免光学信号在石英光纤中传导时因被损耗而造成信号失真。由于Er³⁺第一激发态到基态辐射波长1.5μm，正好对应于石英光纤最低损耗窗口(沈浩.长发光寿命铒硅酸盐的制备及其光学性质[D].浙江大学,2020.参见该论文的第7页)。因此，利用在硅材料中掺入Er³⁺来实现高效的硅基光源具有重要的意义，在硅材料中掺入Er³⁺的材料称为掺铒硅材料(Er-doped Si)。当Er³⁺掺入硅材料后，晶体场的作用会让Er³⁺的能级发生分裂，进而使Er³⁺的发光波长分布在1400～1700nm，但Er³⁺的中心波长(center wavelength)在约1540nm附近。本发明所述“附近”是指在中心波长±5nm范围内的波长。可在工业上应用于硅基光源的掺铒硅材料必须具备的条件是：在室温下能够发出足够强的中心波长在1540nm附近波长的光。

掺铒硅材料中的硅可以是体硅和纳米硅两种形式，其分别对应为掺铒体硅材料和掺铒硅纳米材料。所述的纳米硅是指尺寸小于100nm的硅材料，针对不同的尺寸大小和形貌结构，纳米硅可以是纳米硅颗粒(nanosiliconparticle)，硅量子点(silicon quantumdots，简称Si QDs))，纳米硅簇(nanosiliconcluster)，纳米硅晶体(nanosiliconcrystalline)等各种表现形式。除纳米硅之外的硅材料统称为体硅(bulk silicon)，常见的体硅包括但不限于单晶硅(single crystal silicon)，晶体硅(crystalline silicon)。

掺铒硅材料存在温度淬灭现象，所述温度淬灭现象(temperaturequenchingeffect)是指Er³⁺的发光强度(photoluminescence intensity，简称PLintensity)从低温(77K)到室温(297K)逐渐降低的现象。本发明所述发光强度是指Er³⁺的光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值。所述低温为实验室的液氮低温，因此为77K。本发明用温度淬灭指数Q来表征温度淬灭的程度，公式如下：

所述I_77K代表77K(低温)时，Er³⁺的发光强度；I_297K代表在297K(室温)时，Er³⁺的发光强度。温度淬灭指数越大，表明从低温至室温Er³⁺的发光强度降低得越多，温度淬灭的程度越严重。因此，温度淬灭指数越大，室温下Er³⁺的发光强度越弱。由于掺铒硅材料实际需要在室温(297K)下使用，因此，掺铒硅材料的温度淬灭指数越小越好，这样掺铒硅材料才能在室温(297K)下发出足够强的中心波长在1540nm附近波长的光。

在掺铒体硅材料中，由于体硅的禁带宽度小，导致Er³⁺具有强的能量反向传递，因此，掺铒体硅材料中的Er³⁺发光存在严重的温度淬灭现象。研究表明，掺铒体硅材料的发光强度存在严重的温度淬灭现象，其温度淬灭指数Q高达97％(Coffa S,FranzòG,Priolo F,et al.Temperature Dependence and Quenching Processes of the Intra-4fLuminescence of Er in Crystalline Si[J].Physical Review B,1994,49(23):16313–16320.从该文图1的数据按照上述公式可算出温度淬灭指数Q的数值)。近年来，经过各种优化手段(如：热处理，共掺杂)，掺铒体硅材料的温度淬灭指数可降低到约67％(Wen H,He J,Hong J,et al.Efficient Er/O-Doped Silicon Light-Emitting Diodes atCommunication Wavelength by Deep Cooling[J].Advanced Optical Materials,2020,2000720:1–8.从该文的图1a的数据按照上述公式可算出温度淬灭指数Q的数值)，但其温度淬灭程度仍然较为严重。由于掺铒硅材料实际需要在室温(297K)下使用，较强的温度淬灭效应使得掺铒体硅材料在室温的发光强度较弱，这导致掺铒硅材料距离实际的应用还很远(洪进.近红外光电子材料与器件的光学性质实验研究[D].华东师范大学,2021.)。

综上所述，掺铒体硅材料存在严重的温度淬灭现象。对于一个理想的掺铒硅材料应用于硅基光源，需要同时具备尽可能高的发光强度和尽可能低的温度淬灭指数。为了解决该问题，现有技术利用纳米硅(nanosiliconmaterial)敏化(sensitize)Er³⁺发光，制得掺铒硅纳米材料。Er³⁺发光有直接和间接两种形式，直接形式包括直接激发或共振激发，直接激发或共振激发特点都是能量直接传递给Er³⁺发光，敏化不同于直接激发或共振激发Er³⁺发光，敏化是间接激发，是能量先传递给纳米硅中的激子，再通过将纳米硅中的激子(exciton)能量转移(或传递)给Er³⁺，进而使Er³⁺发出约1540nm附近波长的光。只要含有纳米硅，Er³⁺发光就是通过敏化实现发光。此外，即使没有注明“敏化”，但只要存在“能量转移”、“能量传递”、“能量交换”，其实质和本发明所述的敏化也是相同的含义。在量子限域效应的作用下，纳米硅的禁带宽度变大，可以有效抑制Er³⁺的能量反向传递，可将温度淬灭指数降到～50％(Xu L,Li S,Jin L,et al.Temperature Dependence of Sensitized Er³⁺Luminescence in Silicon-Rich Oxynitride Films[J].Nanoscale Research Letters,2014,9(1):1–6.从该文的图3的数据按照上述公式可算出温度淬灭指数Q的数值)。所以纳米硅敏化Er³⁺发光是一种改善掺铒硅材料温度淬灭的有效方法。

虽然利用纳米硅敏化Er³⁺发光可以降低温度淬灭指数Q的问题，也带来发光强度下降的问题，现有技术明确表明：处在微晶硅(包括纳米硅)晶格中的Er³⁺不具有光学活性(肖志松.掺铒硅基薄膜的纳米结构与发光动力学研究[D].北京师范大学,2001.)，这要求Er³⁺和纳米硅需要有一定的距离，然而，由于在制备掺铒硅纳米材料的过程中，Er³⁺不可避免地会掺入纳米硅晶格中，Er³⁺主要存在于纳米硅环境中，会使中心波长在1540nm附近的发光强度急剧下降(肖志松,徐飞,张通和,程国安,顾岚岚.掺铒硅基材料发光的新途径[J].物理学报,2001(01):164-168.)。因此，为了保证Er³⁺的发光强度足够高，需要尽量避免Er³⁺掺入纳米硅的晶格内。

由上述分析可知，Er³⁺掺入纳米硅晶格中能够改善温度淬灭，但是以降低发光强度为前提的，本领域技术人员为了获得掺铒硅纳米材料足够高的发光强度，是没有动机把Er³⁺掺到纳米硅晶格内的。现有技术的掺铒体硅材料的温度淬灭指数Q高，而掺铒硅纳米材料虽然一定程度上改善了温度淬灭，但会导致Er³⁺的发光强度降低，因此，现有技术的掺铒硅材料无法同时实现高发光强度和低温度淬灭。

另外，掺铒硅材料的发光强度还与固溶度有关，所述的固溶度(solubility)是指在一定温度下，杂质能进入固体中的最大浓度。随着掺Er³⁺浓度的升高，掺铒硅材料的发光强度存在先上升后下降的趋势(肖志松.掺铒硅基薄膜的纳米结构与发光动力学研究[D].北京师范大学,2001.)。因此，在掺铒硅材料的发光强度随掺Er³⁺浓度的升高而下降之前，需要尽可能的提高掺铒硅材料掺Er³⁺浓度。

在硅材料中掺杂Er³⁺的上限浓度受到其自身固溶度的限制，其中，Er³⁺在掺铒体硅材料中的固溶度低约为1.0×10¹⁸cm^–3(…but doping concentration was limited(ca.1×10¹⁸cm^–3)by the low solid solubility of Er,MiritelloM,Savio R Lo,Iacona F,etal.Efficient Luminescence and Energy Transfer in Erbium Silicate Thin Films[J].Advanced Materials,2007,19(12):1582–1588.)。对于纳米硅来说，由于其在纳米尺度下掺Er³⁺时具有“自清洁效应”，这导致Er³⁺在纳米硅的固溶度进一步降低(…Nanocrystals undergo“self-purification,”that is,the impurity solubility ismuch lower than in the bulk.Norris D J,Efros A L,Erwin S C.Doped Nanocrystals[J].Science,2008,319(5871):1776–1779.)。所述“自清洁效应”是指Er³⁺在掺入纳米硅时，由于热力学的原因导致Er³⁺难以掺入纳米硅内的现象。因此，现有技术难以在纳米硅晶格中实现Er³⁺浓度≥1.0×10¹⁸cm^–3的掺杂。

综上所述，理想的掺铒硅材料应用于硅基光源，需要同时具备尽可能高的发光强度和尽可能低的温度淬灭指数。针对这两方面，现有技术认为，纳米硅中的Er³⁺不具有光学活性，本领域技术人员为了获得掺铒硅纳米材料足够高的发光强度，需要尽量避免Er³⁺掺入纳米硅的晶格内；利用纳米硅敏化Er³⁺发光可以一定程度上降低温度淬灭指数，但Er³⁺会不可避免地掺入纳米硅晶格内，Er³⁺在纳米硅中会使中心波长在1540nm附近的发光强度下降。此外，在纳米硅晶格中掺Er³⁺受到固溶度的限制，因此掺入高浓度的Er³⁺也是十分困难的。因此，现有技术的掺铒硅材料无法同时实现高发光强度和低温度淬灭，难以实现工业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及包含所述掺铒硅纳米材料的硅基光电集成电路。经过多年不懈努力和探索，发明人制得了一种掺铒硅纳米材料，并意外克服了现有研究认为将Er³⁺掺入纳米硅晶格内会导致Er³⁺失去光学活性的技术偏见，实现了Er³⁺在纳米硅晶格内的浓度≥1.0×10¹⁸cm^–3，实现了温度淬灭指数≤30％。在本发明所提供的掺铒硅纳米材料中，所述掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内且具有光学活性，所述纳米硅为金刚石结构，所述掺铒硅纳米材料其实质就是掺铒后的纳米硅。本发明的Er³⁺的发光波长是指1400～1700nm范围内的发光波长，Er³⁺的中心波长是指1540nm附近的发光波长，其发光光谱形状如图8所示，中心波长即为发光强度曲线最高点对应的波长数值。

本发明提供一种全新的掺铒硅纳米材料，首次将Er³⁺以超过固溶度的浓度掺入纳米硅的晶格内，并意外实现了掺入的Er³⁺基本上全部具有光学活性。和现有的掺铒硅材料相比，本发明制得的掺铒硅纳米材料同时实现了Er³⁺在纳米硅晶格内的高浓度掺杂和具有光学活性。此外，本发明制得的掺铒硅纳米材料还实现了温度淬灭指数≤30％，优于现有的大部分掺铒硅材料，可在室温下获得足够高的发光强度。本发明制得的掺铒硅纳米材料克服了现有研究的技术偏见，同时实现了高发光强度和低温度淬灭，具有重大意义。

此外，本发明提供的掺铒硅纳米材料的发光强度随着掺入晶格内Er³⁺浓度的增加先上升后下降(图9)，最优浓度为0.2％，即1.0×10²⁰cm^-3，所述掺铒离子浓度(cm^-3)与铒离子浓度(％)的换算公式为：铒离子浓度(cm^-3)＝铒离子浓度(％)×5×10²²cm^-3。这克服了现有技术的偏见，现有技术认为Er³⁺掺入纳米硅晶格内会导致发光强度下降。

本发明所述的掺铒硅纳米材料是纳米硅晶体，优选尺寸为2～10nm，优选为金刚石结构，可以利用纳米硅的量子限域效应扩大禁带宽度，有效抑制Er³⁺的能量反向传递，从而降低温度淬灭指数。

本发明采用的技术方案具体为：

本发明提供一种掺铒硅纳米材料，所述掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内且具有光学活性，所述掺铒硅纳米材料为晶体，所述纳米硅(111)晶面的晶面间距为0.315～0.320nm；其中：

优选的，所述氧元素和铒元素的原子数比值(即O∶Er)≤6；

优选的，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度≥1.0×10¹⁸cm^-3；

优选的，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度为3.0×10¹⁹～5.0×10²⁰cm^-3；更优选的，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3；

优选的，所述晶体为金刚石结构；

优选的，所述掺铒硅纳米材料的形状为球形；所述的球形可以是规则的球形或非规则的球形，也可以是与规则的球形相似的形状。

优选的，所述铒元素全部以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内；

优选的，所述存在于纳米硅晶格内的Er³⁺基本上全部具有光学活性；

优选的，所述掺铒硅纳米材料的粒径为2～10nm；更优选为2～4nm；

优选的，所述掺铒硅纳米材料中的Er³⁺在77～297K的温度范围内，随着温度的升高，所述Er³⁺的发光强度的变化规律为：先下降后上升，最后再下降。

优选的，在77～297K的温度范围内，所述Er³⁺的温度淬灭指数的数值≤30％，所述温度淬灭指数表示公式如下：

其中，Q代表温度淬灭指数，I_77K代表77K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值，I_297K代表在297K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值。

优选的，随着所述Er³⁺浓度的增加，所述Er³⁺的发光强度的变化规律为：先上升后下降，其最大发光强度对应的Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3。这和现有技术认为的Er³⁺掺入纳米硅中会导致发光强度降低是完全不同的(肖志松,徐飞,张通和,程国安,顾岚岚.掺铒硅基材料发光的新途径[J].物理学报,2001(01):164-168.)。此外，本发明最大发光强度所对应的Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3，而在含纳米硅的二氧化硅材料中，其最大发光强度所对应的Er³⁺浓度为3.0×10¹⁹cm^-3(金璐.掺铒富硅氧化硅薄膜光学性能研究[D].浙江大学,2013.参见该论文的第97页)。因此，在保证Er³⁺的发光强度不下降的前提下，本发明具有更大的Er³⁺浓度上升区间。

优选的，所述Er³⁺在405nm激光的激发下发出中心波长在1540nm附近的光，且量子效率大于等于0.01％，所述量子效率为材料发出的光子数与材料吸收的光子数的比值，因此，量子效率越低，材料的发光强度越低，可以用量子效率来表征材料的发光强度。

优选的，所述Er³⁺在发光量子效率的检测方法为：通过光致荧光光谱和积分球进行检测，激发波长为405nm，Er³⁺在发光量子效率≥0.01％。

优选的，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内的检测方法为：用高角度环形暗场扫描透射电镜((HAADF-STEM))观察所述掺铒硅纳米材料，在电子加速电压为200kV时，所述铒元素显示出比所述硅元素更强的高角度环形暗场强度；同时，所述掺铒硅纳米材料经氢氟酸(体积分数≥40％)刻蚀后，所述Er³⁺的浓度随氧化时间的增加先上升后下降；

优选的，所述纳米硅(111)晶面的晶面间距检测方法为：用高角度环形暗场扫描透射电镜((HAADF-STEM))观察所述掺铒硅纳米材料，在电子加速电压为200kV时，得到掺铒硅纳米材料的原子图像，进而计算出纳米硅(111)晶面的晶面间距。在Er³⁺浓度为3.0×10¹⁹～5.0×10²⁰cm^-3时，对应的纳米硅(111)晶面的晶面间距为0.315～0.320nm。

优选的，所述掺铒硅纳米材料中硅元素和铒元素的浓度的检测方法为：通过电感耦合等离子体发射光谱仪检测，先对不同浓度的铒、硅标准液体进行校正检测，使其实际浓度和名义浓度的拟合系数大于0.9999，然后再放入待测的所述掺铒硅纳米材料的稀释液，从而测得硅元素和铒元素的原子浓度，所述原子浓度是指某一元素的原子数目除以掺铒硅纳米材料总的原子数目。

优选的，所述铒元素价态的检测方法为：通过X射线光电子能谱进行检测，所述铒元素的X射线光电子能谱的峰值结合能为169eV，且没有其它伴峰，说明所述铒元素价态为+3价。需要指出的是，由于铒元素在掺铒硅纳米材料中为+3价，因此上述铒元素浓度和Er³⁺浓度是等价的。

优选的，所述氧元素和铒元素的原子数比值的检测方法为：通过X射线光电子能谱进行检测，在结合能527～538eV范围内扫描氧元素的X射线光电子能谱，在结合能160～185eV范围内扫描铒元素的X射线光电子能谱，然后定量分析算出氧元素和铒元素的原子数比值(即O∶Er)≤6。当纳米硅和Er³⁺分布在二氧化硅(SiO₂)基体材料时，由于SiO₂中含有大量的氧元素，因此，即使Er³⁺浓度高达10²¹cm^-3，其氧元素和铒元素的原子数比值(即O∶Er)＞18，和本发明的O∶Er具有明显的区别。

优选地，所述Er³⁺具有光学活性的检测方法为：通过光致荧光光谱进行检测，所述掺铒硅纳米材料中的Er³⁺的发光强度随着激发光功率的增加而线性增加(图13)，表明掺铒硅纳米材料中的Er³⁺都是具有光学活性的。如果Er³⁺只是部分具有光学活性，其发光强度会随着激发光功率的增加而趋于饱和(参见该文献的图3，Fujii M,Yoshida M,Kanzawa Y,etal.1.54Μm Photoluminescence of Er³⁺Doped into SiO₂ Films Containing SiNanocrystals:Evidence for Energy Transfer from Si Nanocrystals to Er³⁺[J].Applied Physics Letters,1997,71(9):1198–1200.)。

优选的，所述Er³⁺主要分布于所述掺铒硅纳米材料的亚表面区域。所述亚表面区域是指所述掺铒硅纳米材料从表面沿半径方向向内约0.8～1.0nm的区域，且有占总含量≥65％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域；优选的，有占总含量≥68％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域；所述的占总含量的百分比是指位于亚表面区域的Er³⁺数目占总掺入的Er³⁺数目。

优选地，所述Er³⁺在所述纳米硅生长时掺入。

优选地，所述铒离子分布于纳米硅的晶格内后，不会对纳米硅的晶体结构产生明显的改变；

优选地，在掺铒离子前与掺铒离子后，所述纳米硅晶体均保持金刚石型结构。

本发明还提供一种如上所述掺铒硅纳米材料的制备方法，所述的制备方法为非热等离子体法(non-thermal plasma)，具体包括如下步骤：

将硅源/惰性气体和惰性气体载运的铒源通入到等离子体腔中，所述硅源/惰性气体混合气的流量为3～10sccm，所述载有铒源的惰性气体流量为400～600sccm，所述硅源为气体，所述铒源的温度为100～200℃，调节等离子体腔压强至2～5mBar，将等离子体腔的实际输出功率控制在40～200W，在室温下进行反应，得到所述掺铒硅纳米材料；优选的，反应时间为3～5小时；

优选的，等离子体腔压强为3.3mBar；

优选的，等离子体腔的实际输出功率选为40～100W；更优选的，等离子体腔的实际输出功率选为60W；

优选的，所述硅源选自SiH₄、SiCl₄的至少一种；

优选的，所述铒源选自六氟乙酰丙酮铒、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒中的至少一种；

优选的，所述铒源为六氟乙酰丙酮铒时，所述铒源的温度为80～120℃；优选的，所述铒源为三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒时，所述铒源的温度为100～160℃；

优选的，所述硅源在硅源/惰性气体混合气中的体积比为10～20％，所述惰性气体可以为氦、氖、氩的至少一种；

优选的，所述硅源/惰性气体混合气的流量为4～5sccm；更优选的，所述硅源/惰性气体混合气的流量为4.8sccm；

优选的，所述载有铒源的惰性气体流量为400～500sccm。

本发明利用非热等离子体法(non-thermal plasma)制备掺铒硅纳米材料来解决上述现有技术存在的难题。硅纳米材料在具有非热平衡特点的非热等离子体中形核长大时，想要实现铒离子可控地掺入纳米硅晶格内是十分困难的，而要实现铒离子掺入纳米硅晶格内的浓度高于固溶度更是难上加难，对硅源/惰性气体混合气流量、载有铒源的惰性气体流量、铒源温度、等离子体腔压强、实际输出功率和硅源体积比这些条件需要整体性的精细调控，通过这些条件的协同作用保证铒离子在纳米硅形核长大的过程中掺入，才能制备得到本发明所述的掺铒硅纳米材料。

最优的制备条件为：通过协同控制等离子体腔压强为3.3mBar、实际输出功率为60W、铒源的温度为160℃、硅源/惰性气体混合气的流量为4.8sccm、载有铒源的惰性气体流量为500sccm，可获得掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^–3的掺铒硅纳米材料。

本发明的第三个目的是提供一种硅基光源，所述的硅基光源包含如前所述任何一种形式的掺铒硅纳米材料、如前所述任何一种形式的制备方法制得的掺铒硅纳米材料。

本发明的第四个目的是提供一种硅基光电集成电路，其特征在于，所述的硅基光电集成电路包含如前所述的硅基光源。

本发明的第五个目的是提供如前所述任何一种形式的掺铒硅纳米材料、如前所述任何一种形式的制备方法制得的掺铒硅纳米材料、如前所述的硅基光源和硅基光电集成电路在半导体领域的用途。

所述的硅基光源是指含硅元素的光源；所述硅基光电集成电路是指包含硅基光源，调制器，放大器和检测器在内的集成电路；所述半导体领域是指包含半导体材料的领域，其中半导体材料是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种全新的掺铒硅纳米材料，克服了现有研究认为将Er³⁺掺入纳米硅晶格内会导致Er³⁺失去光学活性的技术偏见，以及Er³⁺无法以超过固溶度的浓度掺入纳米硅的晶格内的技术偏见，首次将Er³⁺以超过固溶度的浓度掺入纳米硅的晶格内，并意外实现了掺入的Er³⁺几乎全部具有光学活性。此外，本发明制得的掺铒硅纳米材料还意外实现了温度淬灭指数≤30％，优于现有的大部分掺铒材料，可在室温下获得较高的发光强度，同时具有温度淬灭指数Q低和发光强度高的优点，并且制备方法简单，成本优势明显，为工业化应用奠定坚实基础，具有重大意义。

附图说明

图1为硅的X射线光电子能谱图；

图2为铒的X射线光电子能谱图；

图3为氧的X射线光电子能谱图；

图4为掺铒硅纳米材料的示意图；

图5为掺铒硅纳米材料的高角度环形暗场扫描透射电镜图；

图6为掺铒前的纳米硅的高角度环形暗场扫描透射电镜图；

图7为氢氟酸刻蚀后的铒离子浓度随氧化时间的变化图；

图8为Er³⁺的光致荧光光谱图；

图9为掺铒硅纳米材料的铒离子的发光强度随浓度的变化图；

图10为掺铒硅纳米材料的铒离子的发光强度随温度的变化图；

图11为掺铒硅纳米材料的制备示意图；其中，1代表惰性气体+硅源+铒源，2代表等离子腔，3代表射频电源，4代表电极，5代表收集网；

图12为掺铒前和掺铒后的纳米硅的X射线衍射图；

图13为Er³⁺的1540nm附近发光强度随激发功率的变化图；

图14为掺铒硅纳米材料在不同氧化时间下的硅的X射线光电子能谱图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。

各性能的测试方法：

光致荧光光谱测试：

选用Edinburgh FLS1000荧光光谱仪进行测试，将FLS1000荧光光谱仪的探头预先用液氮冷却至-80℃，待冷却120分钟后，打开高压电源。开启软件，探头选择NIRPMT+1200nmgrating，将待测样品放入样品室，选用405nm作为激发波长，测试掺铒硅纳米材料在1540nm附近的光致荧光光谱。发光强度为光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值。

HAADF-STEM测试：

1.将制备的掺铒硅纳米材料溶于无水乙醇中，浓度为0.5mg/mL，超声20分钟。

2.利用毛细管吸取步骤1中足量的掺铒硅纳米晶体乙醇溶液，滴在含有超薄碳膜的铜网上，45℃加热1小时。

3.将步骤2中含有掺铒硅纳米材料的铜网放入高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)中，电子加速电压设置为200kV。由于HAADF-STEM的信号强度和原子序数成正比，因此，从获得的HAADF-STEM图像中可以清晰地看到铒和硅的信号强度差异(图5)，从而证明了铒掺入了纳米硅的晶格内。

掺铒浓度测试(即Er³⁺浓度测试)：

1.取10mg掺铒硅纳米材料，依次加入1mL氢氟酸和3mL硝酸，待掺铒硅纳米材料完全溶解后，然后加入超纯水(电阻率18MΩ.cm)定容至25mL。

2.从步骤1中取出250μL的溶液，然后加入超纯水(电阻率18MΩ.cm)定容至20mL。

3.将原浓度为100ppm的铒标准溶液用超纯水(电阻率18MΩ.cm)稀释成浓度分别为3，6，9ppm的溶液，将原浓度为1000ppm的硅标准溶液用超纯水(电阻率18MΩ.cm)稀释成浓度分别为2，4，8ppm的溶液。

4.利用电感耦合等离子体发射光谱仪对步骤3中的铒、硅标准溶液进行检测，并保证实际浓度和名义浓度的拟合系数大于0.9999。

5.利用电感耦合等离子体发射光谱仪测试步骤2中溶液中的铒浓度，从而得到掺铒硅纳米材料体中的铒浓度。

温度淬灭测试：

1.利用液氮冷却光谱仪的探头至-80℃，并恒温至少2小时。将制备的掺铒硅纳米材料放入变温设备中，利用液氮将样品冷却至77K，并恒温至少30分钟。

2.加热设备每次升温20K，并在恒温10分钟后开始收集掺铒硅纳米材料的光致荧光光谱，收集波长的范围为1400～1690nm，激发波长为405nm，测试温度范围为77～297K。

3.对步骤2中获得的不同温度下的光致荧光光谱进行基线校准和背景噪音扣除的处理后，算出不同温度下测试的光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值，并利用下述公式计算温度淬灭：

所述I_77K代表77K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值，I_297K代表在297K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的数值。

Er³⁺在约1540nm附近的发光量子效率测试：

(1)将与样品溶液相同体积的空白溶剂放入积分球中，将405nm的激光射入积分球，并使激光打在空白溶剂上，测出激光在积分球内的散射峰，散射峰的积分面积记为L_a。

(2)将样品溶液放入积分球中，将405nm的激光射入积分球，并使激光打在样品溶液上，测出激光在积分球内的散射峰，散射峰的积分面积记为L_b。

(3)将样品溶液放入积分球中，将405nm的激光射入积分球，并使激光打在样品溶液上，测出样品的发射峰，发射峰的积分面积记为P_a。

(4)计算量子效率

实施例1

本发明还提供一种如上所述掺铒硅纳米材料的制备方法，利用非热等离子体法(non-thermal plasma)制备掺铒硅纳米材料(图11)，主要过程包括：

1.利用机械泵将等离子体腔体的压强抽至8×10^-2mBar，同时，利用加热带对管路和铒源(优选三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒)进行加热，温度为160℃；

2.将4.8sccm的20vol％硅烷(SiH₄)/氩气(Ar)混合气和500sccm的氩气(Ar)载运的三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒(Er(tmhd)₃)通入到等离子体腔中，并调节等离子体腔压强至3.3mBar；

3.打开输出频率为13.56MHz射频电源及匹配箱，通过调节射频电源和匹配项，将实际输出功率稳定在60W。

结果及分析：通过X射线光电子能谱进行检测，实施例1得到的掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，由高角度环形暗场扫描透射电镜((HAADF-STEM))观察到硅元素以纳米硅的形式存在(图5)。通过X射线光电子能谱进行检测，可得到所述铒元素全部以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内(图2)。X射线衍射分析表明所述纳米硅为金刚石结构(图12)，高角度环形暗场扫描透射电镜((HAADF-STEM))分析可知所述纳米硅(111)晶面的晶面间距为0.317nm(图5)；其中，X射线光电子能谱进行检测结果表明所述氧元素和铒元素的原子数比值(即O∶Er)为6(图2和图3)；电感耦合等离子体发射光谱仪检测得到所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3(图9)。通过光致荧光光谱检测到掺铒硅纳米材料在405nm激光的激发下发出中心波长为1540nm附近的光(图8)。

本发明提供的掺铒硅纳米材料的Er³⁺位于纳米硅的晶格内。由高角度环形暗场扫描透射电镜图像(图5)分析可证明Er³⁺掺入了纳米硅的晶格内，且所述掺铒硅纳米材料的形状为球形。由于高角度环形暗场扫描透射电镜图像强度与原子序数(Z)成正比(Z_Si＝14，Z_Er＝68)，铒原子显示出比硅更强的强度，如图5所示，其中铒原子由圆圈标出，证明所制备的掺铒硅纳米材料中Er³⁺位于纳米硅的晶格内。相反，掺铒前的纳米硅未观察到Er³⁺(图6)。

所述Er³⁺主要分布于所述掺铒硅纳米材料的亚表面区域。由氢氟酸刻蚀后的Er³⁺浓度随氧化时间的变化(图7)分析可证明Er³⁺主要分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域。此外，由图7可知，氢氟酸刻蚀后的Er³⁺随氧化时间的增加先上升后下降，这说明在氧化时间较短(<8天)时，氢氟酸刻蚀掉的硅比铒要多，所以Er³⁺浓度呈上升趋势。然而，随着氧化时间的增加(>8天)，氢氟酸刻蚀掉的铒比硅要多，所以Er³⁺浓度呈下降趋势，这证明了Er³⁺主要分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域。Er³⁺在掺铒硅纳米材料的分布示意图如图4所示。

本发明提供的掺铒硅纳米材料的发光强度随着掺入晶格内Er³⁺浓度的增加先上升后下降(图9)，其最大发光强度对应的Er³⁺浓度为0.2％，即1.0×10²⁰cm^-3，所述掺铒离子浓度(cm^-3)与铒离子浓度(％)的换算公式为：铒离子浓度(cm^-3)＝铒离子浓度(％)×5×10²²cm^-3，可利用荧光光谱仪检测。

硅元素(参见附图1)，铒元素(参见附图2)，氧元素(参见附图3)三种元素的存在可以通过X射线光电子能谱检测。其中，氧的存在对于激活铒发光具有重要作用。

所述掺铒硅纳米材料在405nm激光的激发下发出中心波长为1540nm附近的光(图8)，可利用荧光光谱仪检测。

所述Er³⁺的温度淬灭的程度可由变温光谱分析得到，本发明的温度淬灭指数≤30％(图10)。相比了体硅掺铒的高温度淬灭指数，本发明的温度淬灭指数低，有效解决了体硅掺铒温度淬灭严重的难题。

掺铒前和掺铒后的纳米硅的X射线衍射图(图12)结果表明，掺铒后和掺铒前的纳米硅的X射线衍射图都分别在28.4°，47.3°，56.1°，69.1°，76.4°显示出硅材料(111)，(220)，(311)，(400)，(331)的特征衍射峰，且掺铒硅纳米材料的X射线衍射图没有出现其它杂峰，表明铒掺入了纳米硅的晶格后没有改变硅材料的金刚石结构，没有形成其它不利于铒发光的硅铒化合物，这说明掺铒硅纳米材料其实质就是掺铒后的纳米硅。

利用掺铒硅纳米材料在空气中氧化了8天和12天的X射线光电子能谱(图14)进行分析计算得到，所述Er³⁺主要分布于所述掺铒硅纳米材料的亚表面区域，且有占总含量≥68％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域。

通过光致荧光光谱进行检测，所述掺铒硅纳米材料中的Er³⁺的发光强度随着激发光功率的增加而线性增加(图13)，表明掺铒硅纳米材料中的Er³⁺全部具有光学活性。

实施例2

参照实施例1的制备方法，制备方法参数如表1

结果及分析：通过实施例2获得的掺铒硅纳米材料具有更高的铒离子浓度，且温度淬灭指数为30％，高于实施例1中的温度淬灭指数，表明利用实施例1的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有更好的发光性能，更适合用于硅基光源。掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。

实施例3

参照实施例1的制备方法，制备方法参数如表1

结果及分析：通过实施例3获得的掺铒硅纳米材料具有更低的O∶Er，更高的铒离子浓度，温度淬灭指数为30％，高于实施例1中的温度淬灭指数，表明利用实施例1的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有更好的发光性能，更适合用于硅基光源。掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。

实施例4

参照实施例1的制备方法，制备方法参数如表1

结果及分析：通过实施例4获得的掺铒硅纳米材料具有更低的O∶Er，更低的铒离子浓度，温度淬灭指数为29％，高于实施例1中的温度淬灭指数，表明利用实施例1的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有更好的发光性能，更适合用于硅基光源。掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。

实施例5

参照实施例1的制备方法，制备方法参数如表1

结果及分析：通过实施例5获得的掺铒硅纳米材料具有更高的铒离子浓度，温度淬灭指数为30％，高于实施例1中的温度淬灭指数，表明利用实施例1的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有更好的发光性能，更适合用于硅基光源。掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。

实施例6

参照实施例1的制备方法，制备方法参数如表1

结果及分析：通过实施例6获得的掺铒硅纳米材料具有更低的O∶Er，更低的铒离子浓度，温度淬灭指数为29％，高于实施例1中的温度淬灭指数，表明利用实施例1的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有更好的发光性能，更适合用于硅基光源。掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。

对比例1

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例1硅源流量为2sccm，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例1获得的掺铒硅纳米材料具有更高的铒离子浓度，且温度淬灭指数为68％，高于实施例1中的温度淬灭指数。对比例1把硅源流量降低到3sccm以下，导致掺铒浓度太高，结果制得的掺铒硅纳米材料的温度淬灭指数高，说明硅源流量对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

对比例2

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例2载有铒源的惰性气体流量为390sccm，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例2获得的掺铒硅纳米材料具有更低的铒离子浓度，且温度淬灭指数为68％，高于实施例1中的温度淬灭指数。对比例2载有铒源的惰性气体流量降低到400sccm以下，导致掺铒浓度降低，结果制得的掺铒硅纳米材料的量子效率低，说明惰性气体的流量对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

对比例3

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例3铒源温度为90℃，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例3获得的掺铒硅纳米材料具有更高的温度淬灭指数，且温度淬灭指数为70％，高于实施例1中的温度淬灭指数。对比例3铒源温度降低到100℃以下，导致掺铒浓度降低，结果制得的掺铒硅纳米材料的温度淬灭指数高，说明铒源的温度对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

对比例4

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例4等离子体腔压强为6mBar，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例4获得的掺铒硅纳米材料具有更低量子效率低。对比例4等离子体腔压强为增大到5mBar以上，导致量子效率降低，说明等离子体腔压强对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

对比例5

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例5功率为30W，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例5获得的掺铒硅纳米材料具有更低的量子效率，更高的温度淬灭指数，且温度淬灭指数为68％，高于实施例1中的温度淬灭指数。对比例5功率为降低到40W以下，导致掺铒浓度降低，结果制得的掺铒硅纳米材料的温度淬灭指数高和量子效率低，说明功率对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

对比例6

与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是对比例6硅源体积比为8vol％，制备方法参数如表1。

结果及分析：掺铒硅纳米材料的各项性能的检测方法同实施例1的检测方法，各项性能如表2所示。与实施例1相比，通过对比例6获得的掺铒硅纳米材料具有更低的量子效率，更高的温度淬灭指数，且温度淬灭指数为60％，高于实施例1中的温度淬灭指数。对比例6硅源体积比降低到10vol％以下，导致掺铒浓度增高，结果制得的掺铒硅纳米材料的温度淬灭指数高和量子效率低，说明硅源体积比对所述掺铒硅纳米材料的发光具有很大影响。

表1.不同条件的制备方法制备掺铒硅纳米材料

表2.不同条件的制备方法制备掺铒硅纳米材料的性能

表3.氢氟酸刻蚀后的铒离子浓度随氧化时间的变化(趋势如图7)

表4.发光强度随铒离子浓度的变化(趋势如图9)

表5.发光强度随温度的变化(趋势如图10)

表6.发光强度随激发功率的变化(趋势如图13)

激发功率(W/cm2)	发光强度
		0.05096	499
0.07643	606
		0.10191	707
0.12739	811
		0.17834	1038
0.25478	1495
		0.38217	2577
0.50955	2811
		0.76433	4145
0.89172	4649
		1.01911	4865

总结与分析：通过分析实施例1-6和对比例1-6可知，必须通过对硅源/惰性气体混合气流量、载有铒源的惰性气体流量、铒源温度、等离子体腔压强、功率和硅源体积比这些条件需要整体性的精细调控，通过这些条件的协同作用保证铒离子在纳米硅形核长大的过程中掺入，以上条件缺一不可，才能制备得到本发明所述的掺铒硅纳米材料。

并且，实施例1对应的制备参数制得的掺铒硅纳米材料具有最优的性能，如表2所示，O∶Er＝6；晶面间距为0.317nm；掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3；在77～297K的温度范围的发光强度随着温度的升高，Er³⁺的发光强度的变化规律为：先下降，后上升，再下降；温度淬灭指数为28％，量子效率为0.01％；掺铒硅纳米材料粒径为4nm，有占总含量≥68％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域；所述Er³⁺在405nm激光的激发下发出中心波长在1540nm附近的光。如表4发光强度随铒离子浓度的变化数据，随着所述Er³⁺浓度的增加，所述Er³⁺的发光强度的变化规律为：先上升后下降，最高发光强度对应的掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3。因此，本发明的掺铒硅纳米材料在硅基光源、硅基光电集成电路和半导体领域具有重大的应用意义。

上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (38)

1.一种掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内且具有光学活性，所述掺铒硅纳米材料为晶体，所述纳米硅(111)晶面的晶面间距为0.315～0.320nm，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度≥1.0×10¹⁸cm^-3。

2.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述氧元素和铒元素的原子数比值(即O∶Er)≤6。

3.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度为3.0×10¹⁹～5.0×10²⁰cm^-3。

4.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料晶格内的掺Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3。

5.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述晶体为金刚石结构。

6.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述铒元素全部以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内。

7.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料的形状为球形。

8.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述存在于纳米硅晶格内的Er^{3 +}全部具有光学活性。

9.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料的粒径为2～10nm。

10.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料的粒径为2～4nm。

11.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述Er³⁺在所述纳米硅生长时掺入。

12.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述铒元素以Er³⁺形态存在于所述纳米硅的晶格内的检测方法为：用高角度环形暗场扫描透射电镜观察所述掺铒硅纳米材料，在电子加速电压为200kV时，所述铒元素显示出比所述硅元素更强的高角度环形暗场强度；同时，所述掺铒硅纳米材料经体积分数≥40％的氢氟酸刻蚀后，所述Er³⁺的浓度随氧化时间的增加先上升后下降。

13.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述掺铒硅纳米材料中硅元素和铒元素的浓度的检测方法为：通过电感耦合等离子体发射光谱仪检测，先对不同浓度的铒、硅标准液体进行校正检测，使其实际浓度和名义浓度的拟合系数大于0.9999，然后再放入待测的所述掺铒硅纳米材料的稀释液，从而测得硅元素和铒元素的原子浓度，所述原子浓度是指某一元素的原子数目除以掺铒硅纳米材料总的原子数目。

14.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述铒元素价态的检测方法为：通过X射线光电子能谱进行检测，所述铒元素的X射线光电子能谱的峰值结合能为169eV，且没有其它伴峰，说明所述铒元素价态为+3价。

15.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述氧元素和铒元素的原子数比值的检测方法为：通过X射线光电子能谱进行检测，在结合能527～538eV范围内扫描氧元素的X射线光电子能谱，在结合能160～185eV范围内扫描铒元素的X射线光电子能谱，然后定量分析算出氧元素和铒元素的原子数比值，即O∶Er≤6。

16.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，在77～297K的温度范围内，随着温度的升高，所述Er³⁺的发光强度的变化规律为：先下降后上升，最后再下降。

17.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，在77～297K的温度范围内，所述Er³⁺的温度淬灭指数的数值≤30％，所述温度淬灭指数表示公式如下：

其中，Q代表温度淬灭指数，I_77K代表77K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值，I_297K代表在297K时光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值。

18.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，随着所述Er³⁺浓度的增加，所述Er³⁺的发光强度的变化规律为：先上升后下降。

19.根据权利要求18所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，其最大发光强度对应的Er³⁺浓度为1.0×10²⁰cm^-3。

20.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述Er³⁺在405nm激光的激发下发出中心波长在1540nm附近的光，且量子效率大于等于0.01％。

21.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，所述Er³⁺主要分布于所述掺铒硅纳米材料的亚表面区域，所述亚表面区域是指所述掺铒硅纳米材料从表面沿半径方向向内0.8～1.0nm的区域，且占总含量≥65％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域；所述的占总含量的百分比是指位于亚表面区域的Er³⁺数目占总掺入的Er³⁺数目。

22.根据权利要求1所述的掺铒硅纳米材料，其特征在于，占总含量≥68％的Er³⁺分布在掺铒硅纳米材料的亚表面区域。

23.一种权利要求1所述掺铒硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为非热等离子体法，具体包括如下步骤：

将硅源/惰性气体和惰性气体载运的铒源通入到等离子体腔中，所述硅源/惰性气体混合气的流量为3～10sccm，所述载有铒源的惰性气体流量为400～600sccm，所述硅源为气体，所述铒源的温度为100～200℃，调节等离子体腔压强至2～5mBar，将等离子体腔的实际输出功率控制在40～200W，在室温下进行反应，得到所述掺铒硅纳米材料。

24.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，反应时间为3～5小时。

25.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，等离子体腔压强为3.3mBar。

26.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，等离子体腔的实际输出功率选为40～100W。

27.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，等离子体腔的实际输出功率选为60W。

28.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述硅源选自SiH₄、SiCl₄的至少一种。

29.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述铒源选自六氟乙酰丙酮铒、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒中的至少一种。

30.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述铒源为六氟乙酰丙酮铒时，所述铒源的温度为80～120℃。

31.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述铒源为三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮)铒时，所述铒源的温度为100～160℃。

32.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述硅源在硅源/惰性气体混合气中的体积比为10～20％，所述惰性气体可以为氦、氖、氩的至少一种。

33.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述硅源/惰性气体混合气的流量为4～5sccm。

34.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述硅源/惰性气体混合气的流量为4.8sccm。

35.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述载有铒源的惰性气体流量为400～500sccm。

36.一种硅基光源，其特征在于，所述的硅基光源包含权利要求1-22任一项所述的掺铒硅纳米材料或者权利要求23-35任一项所述的制备方法制得的掺铒硅纳米材料。

37.一种硅基光电集成电路，其特征在于，所述的硅基光电集成电路包含权利要求36所述的硅基光源。

38.权利要求1-22任一项所述的掺铒硅纳米材料、权利要求23-35任一项所述的制备方法制得的掺铒硅纳米材料、权利要求36所述的硅基光源、权利要求37所述的硅基光电集成电路在半导体领域的用途。