一种采用向改性Si薄膜引入辅助性离子提高光学性能的方法

摘要

本发明提供一种采用向改性Si薄膜引入辅助性离子提高光学性能的方法，属于半导体材料发光的技术领域。本发明基于Si离子自注入技术与快速热退火工艺，在SOI衬底上的Si膜中产生发光缺陷或团簇技术，首先采用金属蒸汽真空弧离子源离子注入机进行离子注入，将Si离子和辅助性离子分别注入SOI片（顶层是200nm厚度的(100)晶向的P型单晶Si，中间层是375nm厚的SiO2，底层是厚度为6.75 µm的P型单晶Si），接着用快速退火炉对SOI进行快速退火。通过调节辅助性离子的复合注入剂量、能量以及热处理工艺，促使辅助性离子与填隙Si原子成键，从而增强中间带上的激子荧光失活能。采用本发明的技术方案亦有助于团簇发光稳定性的提升，从而提高SOI材料的光学性能。在半导体材料发光方面，对于近室温SOI—LED器件领域有推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及采用向改性Si薄膜引入辅助性离子提高光学性能的方法，特别是采用了离子注入技术、快速退火技术制备硅基发光材料，属于半导体材料发光技术领域。

背景技术

近年来，将微电子和光电子结合起来，开发硅基大规模光电子集成技术，已经成为信息技术发展的必然和业界的普遍共识。硅是实现光电子-微电子集成工程的最佳候选材料。与其它光电材料相比，硅基光电材料除具有易于兼容和集成的特点外，还具有成本低廉、可靠性高以及功能扩展性强等优点；但是硅的间接带隙特性导致其发光而不懈探索。

目前，在硅基发光材料的制备方面，基本思路有两条，一是对硅进行改性使其发光，二是在硅衬底上制备复合发光材料。材料改性和复合材料的合成正是离子注入的基本功能。阻碍缺陷Si薄膜在发光领域应用的因素归结于三个方面，即发光效率低、激子荧光湮灭速度较慢以及在高温区的发光稳定性较弱。通过采用向自离子注入Si薄膜中引入辅助性离子（铁、钴、镍及锰）,产生的空穴或填隙点缺陷在硅中的运动和演化包含丰富的物理信息，其导致的高效发光对实现硅光电子集成具有极大的潜在应用价值。不仅为硅中各类缺陷形成机理和发光物理机制等基本问题的研究开辟了一条新途径，还为推动SOI材料发光技术的发展及实现室温全硅基光电子集成奠定基础。

发明内容

本发明引入辅助性离子提高Si薄膜光学性能，首先将SOI片进行RCA清洗，再采用金属蒸汽真空弧离子源离子注入机分别进行辅助性离子和Si⁺离子注入，接着用快速退火炉对SOI进行快速退火，其特征在于采用辅助离子和Si离子复合注入的离子注入工艺，再利用快速退火炉进行快速退火处理的退火工艺。

本发明的目的在于通过调节辅助性离子的复合注入剂量、能量以及热处理工艺，促使辅助性离子与填隙Si原子成键，从而增强中间带上的激子荧光失活能，有助于团簇发光稳定性的提升，从而提高SOI的发光稳定性能，为增强SOI材料发光性能提供一种新方法。

本发明中选择使用的SOI材料，其顶层Si厚度为~200 nm、纯度为~99.999%、电阻率为~10Ω·cm的(100)晶向的P型单晶Si，中间层是375nm厚的SiO₂，而底层是厚度为675>2和Si的折射率不相同。另外，SOI衬底中生长量子尺寸的发光中心，可以有效地对发射光谱进行修饰。

本发明其制备方法具体包括如下步骤：

（1）采用RCA标准清洗法对SOI基片进行清洗；

（2）采用SRIM软件模拟得到优化后的注入能量和注入剂量；

（3）采用离子注入机先将Si⁺离子注入SOI硅薄膜层，离子入射方向与SOI硅薄膜表面法线成7°，在真空环境下进行，Si⁺离子注入剂量为1×10¹⁷～3×10¹⁷cm^-2，注入能量为60～80keV；

（4）在离子注入机上再进行复合注入少量辅助性铁、钴、镍及锰离子；

（5）把注入后的样品割成1×1cm²的小片，在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度500～700℃，退火时间30～60s。

本发明是在优化Si⁺自主入SOI材料发光性能的基础上，通过调节辅助性离子的复合注入剂量、能量以及热处理工艺，促使辅助性离子与填隙Si原子成键，从而增强中间带上的激子荧光失去活性。该方法有助于提高温度稳定性，从而达到增强SOI材料光学性能。

附图说明

图1为技术线路图。

图2为 1：只注入Si离子。2：同时注入Si和Fe,Si和Co,Si和Ni，Si和Mn离子。在10K~250K测试温度下的PL光谱。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

本实例所述采用向改性Si薄膜引入辅助性离子提高光学性能的方法，具体包括以下步骤：

（1）选取顶层晶向为（100）的P型Si薄膜的SOI片，并用RCA标准清洗法对其进行清洗；

（2）采用离子注入机先将Si⁺离子注入SOI硅薄膜层，离子入射方向与SOI硅薄膜表面法线成7°，在真空室温环境下进行，Si⁺离子注入剂量为2×10¹⁷cm^-2，注入能量为70keV；

（3）Si⁺离子注入完成后，再将铁离子注入该层，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。离子入射方向与SOI硅薄膜表面法线成7°，离子注入过程在真空室温环境下进行；

（4）把注入后的样品割成1×1cm²的小片，在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度500℃，退火时间60s。

实施例2：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（4）与实施例1相同；

步骤（3）不同之处为：

Si⁺离子注入完成后，再将铁离子注入该层，注入剂量为5×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。

实施例3：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（4）与实施例1相同；

步骤（3）不同之处为：

Si⁺离子注入完成后，再将钴离子注入该层，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。

实施例4：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（4）与实施例1相同；

步骤（3）不同之处为：

Si⁺离子注入完成后，再将钴离子注入该层，注入剂量为5×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。

实施例5：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（4）与实施例1相同；

步骤（3）不同之处为：

Si⁺离子注入完成后，再将镍离子注入该层，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。

实施例6：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（4）与实施例1相同；

步骤（3）不同之处为：

Si⁺离子注入完成后，再将镍离子注入该层，注入剂量为5×10¹⁵cm^-2，注入能量为70keV。

实施例7：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例1相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度700℃，退火时间60s。

实施例8：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例1相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度500℃，退火时间30s。

实施例9：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例3相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度700℃，退火时间60s。

实施例10：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例3相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度500℃，退火时间30s。

实施例11：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例5相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度700℃，退火时间60s。

实施例12：

步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）与实施例5相同；

步骤（4）不同之处为：

在氮气环境下对注入后的SOI片进行快速退火，退火温度500℃，退火时间30s。