[發明專利]一種摻鉺或鉺氧的硅基室溫通訊波段發光材料的制備方法、該發光材料及硅基激光器

在審

• 申請號: 201711346430.9
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN109936048A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 但亞平;文惠敏;何佳晶
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01S5/30
• 分類號: H01S5/30;H05B6/02
• 代理公司: 上海勝康律師事務所 31263
• 代理人: 李獻忠;張靜

本發明公開了一種摻鉺(Er)或鉺氧(Er/O)的硅基室溫通訊波段發光材料的制備方法及由該方法制成的摻鉺或鉺氧的硅基發光材料。所述制備方法包括以下步驟：步驟a：對單晶硅片實施鉺離子注入摻雜或者鉺離子和氧離子同時注入摻雜(co?doping)，獲得摻鉺或鉺氧的硅片；以及步驟b：對所述摻鉺或鉺氧的硅片進行深冷退火處理，所述深冷退火處理包括升溫過程以及快速冷卻過程。本發明中摻鉺或鉺氧的硅基發光材料的制備方法，通過深冷退火技術成功實現了硅基半導體材料在1.53μm波段的高效室溫光致發光，為硅發光及硅激光光源的成功制備提供了一種可行的技術手段。整個工藝流程可與CMOS工藝相兼容，具備重要的工業應用價值。本發明還進一步提供了一種基于上述深冷退火工藝的摻鉺或鉺氧的硅基室溫通訊波段激光器。

技術領域

本發明屬于半導體硅光電技術領域，涉及一種硅基半導體工藝處理的新方法，尤其涉及一種摻鉺或鉺氧的硅基發光材料的制備方法。

背景技術

實現硅基光子集成技術以及硅基光電子集成技術，可突破當前微電子技術發展的瓶頸。利用硅基材料制造出高質量、高效率的室溫通訊波段發光器件，對光電子學乃至整個信息技術領域均具有重要意義。由于受間接帶隙能帶結構的限制，本征硅材料表現出很低的發光特性，原則上不能實現硅基光源。目前，對多孔硅、硅納米晶體和摻鉺(Er)或鉺氧(Er/O)的硅等硅基改性材料的研究，為實現硅發光甚至硅激光提供了一些可能途徑。其中，摻鉺或鉺氧的硅基發光材料，由于其發光波長位于通信波段且與CMOS工藝完全兼容等諸多優點，長期受到廣泛關注。然而，摻鉺或鉺氧的硅材料，在室溫下仍存在非輻射躍遷淬滅等缺陷，發光效率極低，已成為其工業應用的唯一技術瓶頸。

因此，開發一種能大幅提高室溫條件下摻鉺或鉺氧硅發光材料的發光效率的新技術，具有非常重要的意義。

發明內容

本發明針對上述技術問題，提出了一種摻鉺或鉺氧的硅基室溫通訊波段發光材料的制備方法，其采用一種超快速冷卻的退火技術，可實現制備的摻鉺或鉺氧的硅基發光材料在1.53μm附近的高效室溫發光。

本發明的一個方面是提供了一種摻鉺或鉺氧的硅基室溫通訊波段發光材料的制備方法，包括以下步驟：步驟a：對單晶硅片實施鉺離子注入摻雜或鉺離子和氧離子同時注入摻雜，獲得摻雜鉺或鉺氧的硅片；所述單晶硅片為表面有鍺外延層的硅片或硅在絕緣層之上的SOI硅片或其它硅基晶圓；以及步驟b：對所述摻雜鉺或鉺氧的硅片進行深冷退火處理，所述深冷退火處理包括升溫過程以及快速冷卻過程。

優選地，步驟a中，鉺離子注入能量范圍為20keV～1MeV，劑量范圍為4×10¹⁴～4×10¹⁶cm^-2。當同時也注入氧離子時，氧離子的注入能量范圍為3keV～300keV，劑量范圍為10¹⁵～10¹⁷cm^-2。

優選地，步驟b進一步包括：

步驟b1：對所述摻雜鉺或鉺氧的硅片進行高溫處理；和

步驟b2：高溫處理后立即進行超快速冷卻處理。

優選地，步驟b1中采用通電銅圈對所述摻雜鉺或鉺氧的硅片進行電磁加熱，步驟b2中采用低溫高純氦氣進行超快冷卻處理。

優選地，步驟b1中采用激光脈沖開啟相(ON phase)進行升溫，步驟b2中采用所述激光脈沖關閉相(OFF phase)進行快速冷卻處理。

優選地，還包括：步驟b之前對所述摻雜鉺或鉺氧的硅片表面沉積介電材料薄膜保護層的步驟，以及步驟b之后去除所述保護層的步驟。

優選地，步驟b1中最高溫度達到1300℃，步驟b2中降溫速率不小于-200℃·s^-1，即每秒降溫200攝氏度以上。