用Si⁺自注入制备室温下硅晶体D₁线发光材料的方法

专利名称：用Si⁺自注入制备室温下硅晶体D₁线发光材料的方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电材料的制备方法，具体涉及使用Si+自注入在晶体硅中形 成室温高效的D1线发光新技术，属于光电子技术领域。
背景技术：
Si是实现光电子_微电子集成工程的最佳候选材料。因为除易于兼容和集成的优 点夕卜，Si基光电材料与其它光电材料相比还具有成本低廉、可靠性高以及功能扩展性强等 的特点。但是硅是间接带隙的半导体，即导带底和价带顶的空间波矢不同。所以，为了满足 动量守恒，来自导带底的电子和来自价带顶的空穴的复合必须有声子的参与，而这种三个 粒子参与的复合过程使得发光效率大为降低。近20年来，人们一直在为增强Si材料的发 光而不懈探索。目前，发展硅基发光材料的研究主要有离子注入单晶硅、离子束溅射生长Si/Ge 量子点、及化学腐蚀制作成多孔硅。其中，离子注入法具有与大规模集成电路工艺兼容、能 精确控制注入离子的浓度和分布、在较低温度下能进行操作的突出优点。近年来，在采用离 子注入技术和匹配的退火工艺处理后的Si中发现了一些新颖物理和光学特性，这使得离 子注入硅晶体成为一个热点研究领域。据文献报道，目前采用离子注入技术注入硅晶体发光的离子主要包括稀土离子 Er+、IV族元素C+、Ge+,以及B、S、P常规离子。在采用以上离子注入硅使其发光的研究中， 虽然取得了一些成果，但仍然没有突破性的进展。如掺铒硅能获得波长为1.54μπι的光致 发光，但是由于Er的原子量很大，必须采用高能量注入机，同时由于Er在Si晶体中的固溶 度较低(< 1 X IO18Cm-3)，因而导致其发光效率很低。又如将注入B+的硅晶体制作成Si发 光二极管，发光响应时间为 18 μ s，器件的室温外量子效率 2 X 10_4，如果计及器件的边 反射，据称外量子效率达10_3，即约为GaAs的1/10。因此需要探索研究新型的注入离子，使 其注入硅晶体后能高效发光。经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种与现行Si集成电路完全兼容的用Si+自注入在晶体 硅中形成室温高效的D1线发光新技术，以获得亮度强，稳定性好，可在室温下D1线发光硅材 料。本发明通过下列技术方案实现用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法，包括采用离子注入机 在室温、真空环境下将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1012cm_2-1016cm_2，注入能量为 100keV-300keVo注入完成后，在氮或氩气氛下对注入后的硅晶采取退火处理，退火温度 7000C -1100°C，退火时间为1-20小时。所述的离子注入硅基过程，预先用现有技术对硅基底材料进行处理
A、选择晶向为100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟， 除去基底表面有机物和无机物杂质；B、将清洗过的Si基底材料，先用H2SO4 H2O2 = 4 1的溶液煮沸10分钟，再用 HF H2O2 =1:9 的溶液浸泡 20s-40s ；C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH3OH H2O2 H2O = 1 1 4的 溶液煮沸10分钟，再用HF H2O2 =1:9的溶液浸泡20S-40S ；D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO3煮沸3分钟，再用HF H2O2 = 1 9的溶液浸泡20s-40s ；E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL H2O2 H2O = 3 1 1的溶 液煮沸5分钟，再用HF H2O = 1 20的溶液浸泡30s-60s，最后用高纯氮气吹干。上述步骤得到的硅晶体D1线发光的材料，基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。本发明突出的优点在于用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光 稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Si基CMOS集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光 电子_微电子集成工程的实现奠定了基础。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步描述。实施例1 本发明是一种用Si+自注入在晶体硅中形成室温高效的D1线发光新技术。通过向 硅晶体中自注入Si+，来获得D1强发光的室温工作硅材料，具体步骤如下步骤1 选取晶向为(100)的P型单晶Si片，单面抛光。步骤2 用现在有方法对硅基底材料进行处理A、选择晶向为100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟， 除去基底表面有机物和无机物杂质；B、将清洗过的Si基底材料，先用H2SO4 H2O2 = 4 1的溶液煮沸10分钟，再用 HF H2O2 =1:9 的溶液浸泡 20s-40s ；C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH3OH H2O2 H2O = 1 1 4的 溶液煮沸10分钟，再用HF H2O2 =1:9的溶液浸泡20S-40S ；D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO3煮沸3分钟，再用HF H2O2 = 1 9的溶液浸泡20s-40s ；E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL H2O2 H2O = 3 1 1的溶 液煮沸5分钟，再用HF H2O = 1 20的溶液浸泡30s-60s，最后用高纯氮气吹干。步骤3 :Si+离子注入Si基用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1013cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。步骤4 对离子注入后的Si基退火处理在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度700°C，退火时间为1 小时。
上述步骤得到的硅晶体D1线发光的材料，基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发 光。实施例2 步骤1、步骤2、步骤4与实施例1相同。步骤3 用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为IO14CnT2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例3 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例4 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1016cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例5 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为IOOkeV,离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例6 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为300keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例7 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900°C，退火时间为1 小时。实施例8:基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900°C，退火时间为2 小时。实施例9 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度1000°C，退火时间为 3小时。实施例10 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度1100°C，退火时间为 1小时。
实施例11 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800°C，退火时间为5 小时。实施例12 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800°C，退火时间为 10小时。实施例13 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800°C，退火时间为 15小时。实施例14 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度800°C，退火时间为 20小时。
权利要求
一种用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法，其特征在于本方法通过向硅晶体中自注入Si+，获得中心波长处于～1.55μm的室温D1线强发光的硅材料；具体步骤如下a.用离子注入机将Si+作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为1012cm 2 1016cm 2，注入能量为100keV 300keV；注入整个过程在真空、室温环境下进行；b.对注入Si+离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度700 1100℃，退火时间为1 20小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温D1线强发光的硅材料，硅材料基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。
全文摘要
本发明涉及一种用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法，属于光电子技术领域。本方法具体步骤为a.用离子注入机将Si+作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为1012cm-2-1016cm-2，注入能量为100keV-300keV；注入整个过程在真空、室温环境下进行；b.对注入Si+离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度700-1100℃，退火时间为1-20小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温D1线强发光的硅材料。本发明突出的优点在于用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Si基CMOS集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光电子-微电子集成工程的实现奠定了基础。
文档编号H01L21/265GK101916718SQ201010181858
公开日2010年12月15日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者李亮, 杨宇, 熊飞, 王茺, 韦冬 申请人:云南大学