[發明專利]用Si+自注入制備室溫下硅晶體D1線發光材料的方法

無效

• 申請號: 201010181858.4
• 申請日: 2010-05-25
• 公開（公告）號: CN101916718A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 楊宇;王茺;韋冬;李亮;熊飛
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: H01L21/265
• 分類號: H01L21/265;H01L21/324
• 代理公司: 昆明今威專利代理有限公司 53115
• 代理人: 楊宏珍

技術領域：

本發明涉及半導體光電材料的制備方法，具體涉及使用Si⁺自注入在晶體硅中形成室溫高效的D₁線發光新技術，屬于光電子技術領域。

背景技術

Si是實現光電子-微電子集成工程的最佳候選材料。因為除易于兼容和集成的優點外，Si基光電材料與其它光電材料相比還具有成本低廉、可靠性高以及功能擴展性強等的特點。但是硅是間接帶隙的半導體，即導帶底和價帶頂的空間波矢不同。所以，為了滿足動量守恒，來自導帶底的電子和來自價帶頂的空穴的復合必須有聲子的參與，而這種三個粒子參與的復合過程使得發光效率大為降低。近20年來，人們一直在為增強Si材料的發光而不懈探索。

目前，發展硅基發光材料的研究主要有離子注入單晶硅、離子束濺射生長Si/Ge量子點、及化學腐蝕制作成多孔硅。其中，離子注入法具有與大規模集成電路工藝兼容、能精確控制注入離子的濃度和分布、在較低溫度下能進行操作的突出優點。近年來，在采用離子注入技術和匹配的退火工藝處理后的Si中發現了一些新穎物理和光學特性，這使得離子注入硅晶體成為一個熱點研究領域。

據文獻報道，目前采用離子注入技術注入硅晶體發光的離子主要包括稀土離子Er⁺、IV族元素C⁺、Ge⁺，以及B、S、P常規離子。在采用以上離子注入硅使其發光的研究中，雖然取得了一些成果，但仍然沒有突破性的進展。如摻鉺硅能獲得波長為1.54μm的光致發光，但是由于Er的原子量很大，必須采用高能量注入機，同時由于Er在Si晶體中的固溶度較低(＜1×10¹⁸cm^-3)，因而導致其發光效率很低。又如將注入B⁺的硅晶體制作成Si發光二極管，發光響應時間為～18μs，器件的室溫外量子效率～2×10^-4，如果計及器件的邊反射，據稱外量子效率達10^-3，即約為GaAs的1/10。因此需要探索研究新型的注入離子，使其注入硅晶體后能高效發光。

經文獻檢索，未見與本發明相同的公開報道。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種與現行Si集成電路完全兼容的用Si⁺自注入在晶體硅中形成室溫高效的D₁線發光新技術，以獲得亮度強，穩定性好，可在室溫下D₁線發光硅材料。

本發明通過下列技術方案實現：

用Si⁺自注入制備室溫下硅晶體D₁線發光材料的方法，包括采用離子注入機在室溫、真空環境下將Si⁺自注入硅基片，其注入劑量為10¹²cm^-2-10¹⁶cm^-2，注入能量為100keV-300keV。注入完成后，在氮或氬氣氛下對注入后的硅晶采取退火處理，退火溫度700℃-1100℃，退火時間為1-20小時。

所述的離子注入硅基過程，預先用現有技術對硅基底材料進行處理：

A、選擇晶向為100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、無水乙醇分別依次清洗15分鐘，除去基底表面有機物和無機物雜質；

B、將清洗過的Si基底材料，先用H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1的溶液煮沸10分鐘，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

C、經上述B步驟處理后的Si基底材料，先用NH₃OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶4的溶液煮沸10分鐘，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

D、經上述C步驟處理后的Si基底材料，先用濃HNO₃煮沸3分鐘，再用HF∶H₂O₂＝1∶9的溶液浸泡20s-40s；

E、經上述D步驟處理后的Si基底材料，先用HCL∶H₂O₂∶H₂O＝3∶1∶1的溶液煮沸5分鐘，再用HF∶H₂O＝1∶20的溶液浸泡30s-60s，最后用高純氮氣吹干。