[发明专利]一种实现纳米硅量子点可控掺杂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对纳米硅量子点掺杂的方法，尤其是一种实现纳米硅量子点可控掺杂的方法，属于纳米光电子器件技术领域。

背景技术

在半导体材料和器件的研究过程中，非晶硅薄膜作为一种光电材料已成为非晶半导体材料研究的重点和核心，并被广泛应用于多种器件，比如薄膜晶体管(TFT)和薄膜太阳能电池等。由于薄膜太阳能电池效率的不断提高以及对器件性能的不断改善，人们对材料的要求也不断更新，但是由于非晶硅材料本身的一些不足，比如导电性能低，光稳定性差等，限制了非晶硅材料的进一步应用。

为了提高器件的光电性能和稳定性，人们开始探索新的材料以弥补氢化非晶硅的不足。含有纳米Si量子点的晶化薄膜既具有较高的电导率和无明显光致衰退现象，又具有非晶硅薄膜易实现大面积制备和集成化的优点，因而纳米Si薄膜在高性能超大规模集成电路、高转换效率太阳电池和高密度信息存储器等微电子器件和光电子器件中具有潜在的应用价值。同时，由于纳米硅薄膜自身结构的特殊性，在硅基发光、非挥发性存储器、平板显示以及一些新型的光电传感器、探测器等领域也表现出巨大的应用价值。但是，对于大部分半导体器件而言，需要获得p型和n型掺杂的半导体材料，因此，如何实现对纳米硅材料的p型和n型掺杂，同时又能对纳米硅量子点的尺寸等进行可控制备，是当前纳电子和纳光电子领域的一个研究前沿课题，对于研制各类基于纳米硅材料的量子器件与纳米器件有重要的实际意义。

据申请人了解，目前获得掺杂纳米硅薄膜主要有以下几种方法：

1)、离子注入法。在该方法中，先制备出含有纳米硅晶粒的晶化薄膜，然后将B或P原子注入到该薄膜中，从而形成掺杂纳米硅薄膜。这种方法的制备过程易实现以及可控性好，但在离子注入过程中，会引起样品结构的损伤，并在薄膜中引入大量的缺陷，一般还需要高温处理以激活掺杂原子，使其成为替位式杂质。同时，该方法在制备过程中成本较为昂贵。

2)、高温退火法制备掺杂纳米硅薄膜。在该方法中，通常是在较低温度下获得非晶硅薄膜，然后通过对掺杂原子的注入或原位掺杂形成掺杂非晶硅薄膜，再在高温下(＞800℃)进行热退火处理，形成掺杂纳米硅薄膜。在后续的高温处理过程中，需要很高的退火温度和较长的时间，对衬底材料的要求较高，所以该方法在材料的制备和器件的应用中受到一定的限制。

3)、原位掺杂获得掺杂纳米硅薄膜。在该方法中一般需要较高的生长温度和大比例的氢稀释(＞90％)，并且所获得薄膜的晶化率较低，同时，掺杂原子的激活率较小。

因而，如何找到一条既便捷有效，又能与当前的微电子工艺技术相兼容的掺杂纳米硅薄膜制备技术一直是国际上的研究热点和前沿课题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种便捷有效、且与微电子工艺技术相兼容的实现纳米硅量子点可控掺杂的方法。

为了达到以上目的，申请人经过反复试验，提出如下步骤的实现纳米硅量子点可控掺杂的方法：

方法一

第一步、制备掺杂非晶硅单层膜——将衬底材料放置在射频等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)反应腔内的接地金属板上，生长气源采用硅烷(SiH₄)与磷烷(PH₃)或硼烷(B₂H₆)的混合气体，启动射频开关，在衬底材料上淀积1-10nm厚的掺杂非晶硅单层膜，完成后关闭射频开关；

第二步、制备掺杂纳米硅量子点单层膜——采用激光器发出的激光束辐照第一步中衬底材料上淀积的掺杂非晶硅单层膜，引起掺杂非晶硅单层膜中原子结构的重组，产生由非晶态到晶态的相变，并同时实现对纳米硅量子点的掺杂，获得含掺杂纳米硅量子点的单层膜。

方法二

第一步、制备限制层(或称势垒层)——将衬底材料放置在射频等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)反应腔内的接地金属板上，气源采用硅烷(SiH₄)与氨气(NH₃)的混合气体，启动射频开关，在衬底材料上淀积10-100nm厚的氢化非晶氮化硅(a-SiNx:H)薄膜(a-SiNx:H中硅和氮的化学配比可调，其中的X表示Si原子和N原子不同的化学配比，可以通过调节SiH₄和NH₃的比例进行控制，以得到不同光学带隙的氢化非晶氮化硅)，完成后关闭射频开关；