[發(fā)明專利]一種Si自離子注入硅基材料改善發(fā)光性能的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710748000.3
• 申請(qǐng)日: 2017-08-28
• 公開（公告）號(hào): CN107611023B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王茺;歐陽(yáng)凌曦;周蒙薇;王榮飛;楊杰;邱鋒;楊宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 云南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/265
• 分類號(hào): H01L21/265;H01L21/322;H01L21/324
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種Si自離子注入硅基材料改善發(fā)光性能的方法，基于離子注入與退火技術(shù)，在表面清洗干凈的硅基材料——Si基片或SOI基片的硅薄膜上通過3~5次不同能量Si自離子注入，再經(jīng)調(diào)節(jié)常規(guī)退火或快速熱退火不同的參數(shù)得到發(fā)光性能優(yōu)異的硅基發(fā)光材料。本發(fā)明的核心在于利用離子注入技術(shù)，依次以劑量相同，能量逐步減小的方式進(jìn)行Si自離子注入，增加離子注入有源層厚度，獲得發(fā)光效率高，熒光湮滅速率低以及溫度穩(wěn)定性好的硅基發(fā)光材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明為一種Si自離子注入硅基材料改善發(fā)光性能的方法，屬于硅基發(fā)光材料的制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

硅基材料由于其間接帶隙性質(zhì)導(dǎo)致其輻射復(fù)合發(fā)光行為通常需要通過聲子輔助來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致其在光電集成領(lǐng)域一直止步不前。目前，為了改善硅基材料發(fā)光性能利用缺陷工程對(duì)其發(fā)光改性的途徑成為材料科學(xué)領(lǐng)域主要集中研究的熱點(diǎn)。以離子注入為代表缺陷工程，通過離子注入向晶體Si中引入缺陷，不同種類的缺陷及團(tuán)簇可在禁帶中形成位置和寬度不同的雜質(zhì)(或缺陷)亞能級(jí)，使材料中的電子和空穴就能夠在亞能級(jí)直接輻射復(fù)合發(fā)光，從而擺脫聲子對(duì)硅基材料發(fā)光的巨大影響。同時(shí)，離子注入工藝也是目前大規(guī)模集成電路以及半導(dǎo)體CMOS原件必不可少的工藝，可見其對(duì)于全硅基光電集成擁有巨大潛力。因此，通過離子注入改善硅基材料也成為目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

僅通過對(duì)注入劑量、退火溫度等的調(diào)控，國(guó)內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)就觀察到了Si+離子自注入硅基材料類型豐富(十余種)的發(fā)光行為。目前，通過離子注入已經(jīng)得到一些較好發(fā)光性能的樣品，盡管這些研究進(jìn)展對(duì)改善硅基材料發(fā)光都具有舉足輕重的作用，但是它們的外量子效率卻依然只有GaAs器件的千分之一左右，并且大多數(shù)發(fā)光也僅能在低溫下觀察到，這對(duì)于Si基光電集成實(shí)際應(yīng)用還有部分距離。所以，尋找一種通過自離子注入，得到波段集中，發(fā)光效率高，熒光湮滅速率低以及溫度穩(wěn)定性好的硅基材料的方法成為了目前亟待解決的一個(gè)問題。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見與本發(fā)明相同的公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服自離子注入硅基材料發(fā)光效率弱，熒光湮滅速率低的困難。本發(fā)明提供了一種新型的自離子注入及快速后退火方法，經(jīng)多次不同能量將Si離子注入硅基材料，增加發(fā)光有源層厚度，增強(qiáng)硅基材料發(fā)光性能。該方法不僅能有效提高硅基材料發(fā)光效率，增強(qiáng)發(fā)光波段選擇性，而且其使用的方法與目前大規(guī)模Si基集成電路產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式相匹配，不僅成本更低，而且操作簡(jiǎn)單，并且不引入異種離子，節(jié)能環(huán)保，能夠高效快捷的制備發(fā)光性能優(yōu)異穩(wěn)定的硅基材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的具體方案是：

1.將經(jīng)Shiraki標(biāo)準(zhǔn)表面清洗處理的Si基片(或SOI基片)薄膜放置于離子注入機(jī)注入臺(tái)上，注入環(huán)境保持真空，室溫。離子入射方向與硅薄膜表面法線成7°傾斜。

2.通過離子注入機(jī)將Si+引入Si基片硅薄膜(或SOI基片頂層硅薄膜)，注入分3～5次進(jìn)行，每次Si+注入劑量為1×1013cm-2～1×1016cm-2，注入能量為50keV～250keV，第1次注入選用較大能量，第2、3、4、5次注入能量逐步減小，每次選擇的注入能量需先經(jīng)模擬計(jì)算注入分布情況得到，附圖1為離子注入示意圖。根據(jù)不同能量在基片中富集層分布范圍，在部分區(qū)域注入離子可能相互交疊混雜，運(yùn)用SRIM軟件計(jì)算得到各注入能量離子分布范圍，選擇互不影響區(qū)域。

3.注入后樣品在氮?dú)夥?或氬氣氛)中進(jìn)行常規(guī)熱退火或快速熱退火處理，常規(guī)退火溫度為600℃～900℃，退火時(shí)間為30～60min；快速熱退火溫度為300℃～500℃，退火時(shí)間為30s～90s。

4.完成材料的制備。

該方法所選Si基片硅薄膜(SOI基片頂層硅薄膜)均選取晶向?yàn)?100)的P型單晶，單面拋光。