CN1696242A

CN1696242A - 光致发光薄膜及其辐照改性的制备方法

Info

Publication number: CN1696242A
Application number: CNA2005100100528A
Authority: CN
Inventors: 何世禹; 魏强; 刘海; 杨德庄
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: CN100337133C

Abstract

光致发光薄膜及其辐照改性的制备方法，涉及一种光电集成领域中的发光材料及其制备方法。目前制备的发光SiO₂薄膜存在发光不稳定和发光强度不高，制备方法用时较长的弊端。光致发光薄膜，在硅基片表面镀制铝膜，在铝膜表面镀制SiO₂薄膜，再通过质子辐射方法诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光。光致发光薄膜辐照改性的制备方法：(1)在硅基片表面间接制备SiO₂薄膜；(2)采用质子辐射诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光。本发明选用金属铝膜可以产生对硅基体性质的保护作用，从而使得集成电路的性能保持稳定。制备时间短，工艺简单，所得SiO₂薄膜光致发光在室温下稳定，没有淬灭现象，可获得波长约为375nm(3.3eV)的光致发光，利于推广应用。

Description

光致发光薄膜及其辐照改性的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种光电集成领域中的发光材料及其制备方法。

背景技术：

在硅材料上发展起来的集成电路已成为发展电子计算机、通信和自动控制等信息技术的关键。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、储存能力、处理功能提出更高要求。但硅集成电路受到器件尺寸和硅中电子运动速度的限制。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力，使电子计算机、通信和显示等信息技术发展到一个全新的阶段。硅是间接带隙的半导体，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子。为了满足动量守恒原理，它只能通过发射或吸收一个声子，间接跃迁到价带顶，这种间接跃迁的几率非常小，所以硅的发光效率很低。在硅集成电路中SiO₂薄膜作为介质膜和掩蔽膜已得到广泛应用，因此SiO₂薄膜有可能成为一种有效的发光材料。目前制备的发光SiO₂薄膜光致发光范围约为410-775nm(3.0-1.6eV)，它不具有全色显示的条件；并且以目前有些技术制备的SiO₂薄膜发光不稳定，室温下发生淬灭现象，并且存在发光强度不高的问题，在实际工作中很难有效的应用。

离子注入是现阶段制备SiO₂薄膜发光材料的主要方法，目前的制备工艺为：在硅表面上直接热氧化生成SiO₂薄膜，进而采用离子注入在SiO₂薄膜中引入Ge⁺、C⁺等离子，以产生光致发光，它存在的问题是，这些离子的不恰当引入极容易改变硅基体和SiO₂薄膜性质，从而影响集成电路的性能。采用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)等其它工艺制备的量子点结构同时存在所需时间和周期较长的弊端。

发明内容：

本发明就是针对目前有些的SiO₂薄膜存在发光不稳定、室温下发生淬灭现象、发光强度不高、硅基体和SiO₂薄膜性质容易改变、不具有全色显示条件的问题，从而提供一种性能优良的光致发光薄膜；针对现有的离子注入方法制备的SiO₂薄膜发光材料容易改变硅基体性质而影响集成电路性能的弊端，从而提供一种制备工艺简单、所用时间较短并且可以得到性能优良的光致发光薄膜的辐照改性的制备方法。一种光致发光薄膜，它包括硅基片、SiO₂薄膜，在硅基片表面镀制铝膜，在铝膜表面镀制SiO₂薄膜，所述铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，通过质子辐射方法诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，辐照过程在低温77-150K下进行。一种光致发光薄膜辐照改性的制备方法，它的制备过程依次为：(1)在硅基片表面间接制备SiO₂薄膜：首先在硅基片表面镀制铝膜，然后在铝膜上再镀制一层SiO₂薄膜，硅基片上镀制的铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，镀制薄膜时真空度为1×10^-3～1×10^-6Pa，硅基片温度范围为70～120℃，膜层沉积速率为15～25/s；(2)采用质子辐射诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，辐照过程在低温77-150K下进行。现在通过离子注入方法在SiO₂薄膜中引入Ge⁺、C⁺等离子以产生光致发光，由于这些离子的不恰当引入极容易改变硅基体性质，从而影响集成电路的性能，本发明克服了上述缺陷，不再向SiO₂薄膜中引入Ge⁺、C⁺等离子，而是采用了金属铝膜作为硅基片和SiO₂薄膜的过渡层，由于铝材料具有良好的塑性变形性能，且对于金属材料来说能量1MeV以下的质子辐照，主要表现为热效应，一般不会带来金属材料结构的变化，因此选择铝材料作为过渡层可以起到阻隔质子注入对硅基片性能影响的作用，所以本发明选用金属铝膜可以产生对硅基体性质的保护作用，从而使得集成电路的性能保持稳定。本发明在硅表面上间接制备SiO₂薄膜，并采用能量适当的质子辐射SiO₂薄膜，最终实现了SiO₂薄膜的光致发光，采用这种制备方法制备光致发光薄膜，所需时间较短，制备工艺相对于现有的制备方法简单、容易操作，并且所得的SiO₂薄膜光致发光在室温下十分稳定，没有发现淬灭现象，而且发光强度相对较高，经实际实验，用本发明的制备方法制备的SiO₂薄膜可获得波长约为375nm(3.3eV)的光致发光，从而为全色显示提供了必要条件。

附图说明：

图1是具体实施方式三中质子射程分布曲线图，图2是具体实施方式三中质子辐照前后及不同辐照剂量时的光致发光谱图，图3是采用原子力显微镜对1×10¹⁷cm^-2辐照后原子岛形貌观察照片。图4是具体实施方式四中质子射程分布曲线图，图5是具体实施方式四中质子辐照前后的光致发光谱图，图6是采用原子力显微镜对辐照后原子岛形貌观察照片。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式的光致发光薄膜，它包括硅基片、SiO₂薄膜，通过镀制方法在硅基片表面镀制铝膜，在铝膜表面镀制SiO₂薄膜，所述铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，通过质子辐射方法诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，辐照过程在低温77-150K下进行。

光致发光薄膜辐照改性的制备方法，它的制备过程依次为：(1)在硅基片表面间接制备SiO₂薄膜：首先在硅基片表面镀制铝膜，然后在铝膜上再镀制一层SiO₂薄膜，硅基片上镀制的铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，镀制薄膜时真空度为1×10^-3～1×10^-6Pa，硅基片温度范围为70～120℃，膜层沉积速率为15～25/s；(2)采用质子辐射诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中，增加质子辐照时铝膜层中能量的沉积；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，由于硅基片较金属铝膜热膨胀系数要小，使表面膜层中产生压应力的作用，从而进一步诱导SiO₂薄膜表面自组织原子岛结构的形成。在辐照作用下，SiO₂薄膜表层原子具有较强的扩散性，随着辐照的进行SiO₂薄膜原子岛结构的形成。为维持三维岛状结构生长，辐照过程需在低温77-150K下进行，以增强表面系统的Ehrlich-Schwoebel势垒效应。辐照诱导所形成的SiO₂薄膜原子岛结构具有量子效应，能够引起SiO₂薄膜在波长约为375nm处的光致发光。

具体实施方式二：本实施方式中铝和二氧化硅的纯度分别为97～99.999％和98～99.9999％，将铝的纯度进行限定，可以更好的使铝膜对硅基体性质起到保护作用，从而使得集成电路的性能更好的保持稳定。将二氧化硅的纯度进行限定，可以使得SiO₂薄膜光致发光效果更好，使得SiO₂薄膜发光更稳定，发光强度相对更高。

具体实施方式三：本实施方式采用纯度为99.9％的铝材，在真空度为5×10^-4Pa条件下采用真空蒸镀方法在硅基片表面上蒸镀制厚度约为500nm的铝膜；然后再采用纯度为99.999％的二氧化硅材料，在真空度为6.67×10^-4Pa条件下，采用真空蒸镀方法再蒸镀一层厚度为100～150nm的SiO₂薄膜。镀制膜层时基片温度为80℃，膜层沉积速率为18/s。所得到的样品为硅基片/铝膜/二氧化硅三层结构。

根据所镀制的样品膜层厚度，经SRIM程序模拟计算表明当辐照能量为60keV时，质子主要分布于铝膜中，如图1所示。质子辐照剂量率为1.25×10¹²cm^-2·s^-1，分别采用1×10¹⁵cm^-2、1×10¹⁶cm^-2、1×10¹⁷cm^-2三种辐照剂量分别验证光致发光效果。经质子辐照后SiO₂薄膜光致发光效应分别采用光致发光谱进行表征，如图2所示，并采用原子力显微镜对1×10¹⁷cm^-2辐照后原子岛形貌观察，具体图片如图3所示。辐照诱导所形成的SiO₂薄膜原子岛结构具有量子效应，室温中可观测到波长约为375nm(3.3eV)的发光峰。

具体实施方式四：采用纯度为99.9％的铝材料，在真空度为5×10^-4Pa条件下采用真空蒸镀方法在硅基片表面上蒸镀制厚度约为400nm的铝膜；然后再采用纯度为99.999％的二氧化硅材料，在真空度为3×10^-4Pa条件下，采用真空蒸镀方法再蒸镀一层厚度为180～220nm的SiO₂薄膜。镀制膜层时基片温度为100℃，膜层沉积速率为20/s。所得到的样品为硅基片/铝膜/二氧化硅三层结构。

根据所镀制的样品膜层厚度，经SRIM程序模拟计算表明当辐照能量为45keV时，质子主要分布于铝膜中，如图4所示。质子辐照剂量率为6.25×10¹²cm^-2·s^-1，采用辐照剂量为2×10¹⁶cm^-2验证光致发光效果。经质子辐照后SiO₂薄膜光致发光效应采用光致发光谱进行表征，如图5所示，并采用原子力显微镜对辐照后原子岛形貌观察，具体图片如图6所示。辐照诱导所形成的SiO₂薄膜原子岛结构具有量子效应，室温中可观测到波长约为375nm(3.3eV)的发光峰。

Claims

1、一种光致发光薄膜，它包括硅基片、SiO₂薄膜，其特征在于在硅基片表面镀制铝膜，在铝膜表面镀制SiO₂薄膜，所述铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，通过质子辐射方法诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，辐照过程在低温77-150K下进行。

2、根据权利要求1所述的光致发光薄膜，其特征在于所述铝和二氧化硅的纯度分别为97～99.999％和98～99.9999％。

3、一种光致发光薄膜辐照改性的制备方法，其特征在于它的制备过程依次为：(1)在硅基片表面间接制备SiO₂薄膜：首先在硅基片表面镀制铝膜，然后在铝膜上再镀制一层SiO₂薄膜，硅基片上镀制的铝膜厚度为150～600nm，SiO₂膜层厚度为100～250nm，镀制薄膜时真空度为1×10^-3～1×10^-6Pa，硅基片温度范围为70～120℃，膜层沉积速率为15～25/s；(2)采用质子辐射诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光：首先采用通用的SRIM程序计算质子射程分布，选择质子辐照能量，使入射质子主要分布于铝膜层中；质子辐照剂量为5×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-2，辐照剂量率为1×10¹²～1×10¹³cm^-2·s^-1，辐照过程在低温77-150K下进行。

4、根据权利要求3所述的光致发光薄膜辐照改性的制备方法，其特征在于在“(2)采用质子辐射诱导改变SiO₂薄膜结构以获得光致发光”步骤中，质子辐照剂量为1×10¹⁷cm^-2。