[发明专利]一种硅酸铒晶体和硅纳米晶共镶嵌二氧化硅薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅酸铒晶体和硅纳米晶体共镶嵌二氧化硅薄膜及其制备方法和应用，采用反应共溅射制备富硅硅酸铒薄膜，在通过高温热处理得到硅酸铒晶体和硅纳米晶。本发明还公开了在上述薄膜基础上制备得到的低开启电压高效率红外发光二极管。由于硅纳米晶的形成，薄膜导电性增强，器件开启电压减小；由于硅酸铒晶体的形成，薄膜铒的有效掺杂浓度提高，器件红外电致发光强度上升、效率大幅提高。本发明制备工艺简单，工业兼容性好，在硅基集成光源或半导体发光、光通信等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种硅酸铒晶体和硅纳米晶共镶嵌二氧化硅薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着微电子产业随着摩尔定律高速发展，单个芯片上的晶体管越来越多，传统的金属导线互连造成的信号延迟，热量释放和信号干扰的问题暴露的越来越明显，光互连由于其信号传输速度快、损耗小、不受干扰的优势成为集成电路发展的必然趋势。

目前，硅基光互连在光波导、光信号调制器、光信号放大器以及光信号探测器都有了长足的进步，唯有高效的光源，特别是适用于成熟的CMOS工艺的高效低开启电压的电致发光光源没有突破。掺铒硅基光源由于Er的1535nm特征发光峰位于光纤损耗最低窗口以及与现有CMOS工艺适配，一直以来是人们研究热点。

科研工作者为提高Er的发光效率和有效掺杂浓度，先后尝试将铒掺入体硅、氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中，最高将Er的有效掺杂浓度达到10²⁰cm^-3数量级。

硅酸铒由于其中Er元素不再作为掺杂剂而是作为化合物的组成元素，并且已被证明几乎所有硅酸铒中的铒都有光学活性，即铒的有效发光浓度达到10²²cm^-3数量级。

有研究组用射频磁控溅射制备了掺Y和掺Yb的硅酸铒薄膜室温下电致发光器件(Near-infrared electroluminescence in ErYb silicate based light-emittingdevice,B.Wang,R.M.Guo,X.J.Wang,L.Wang,L.Y.Hong,B.Yin,L.F.Gao,Z.Zhou.OpticalMaterials 34(2012)1371-1374)：实验为以Er₂O₃:Yb₂O₃:SiO₂＝1:9:10为靶，射频磁控溅射在4寸的p型硅上，厚度约为60nm。将溅射得到的薄膜在1000℃下氮气气氛中高温热处理30分钟，再在薄膜两侧溅射了铝电极和ITO电极，基于晶体Er_0.2Yb_1.8SiO₅薄膜获得1535nm处发光的电致发光器件。但是得到电致发光的强度较低，更关键的是其开启电压在60V以上，难以投入常规的CMOS工艺应用中。

为降低开启电压使薄膜可以用于常规CMOS工艺中，科研工作者尝试在溅射后的薄膜中共镶嵌硅纳米晶，高宇晗博士论文研究了硅酸铒镶嵌氧化硅薄膜的制备方法(硅酸铒镶嵌氧化硅薄膜的制备及其光学性能的研究，2019年)，采用射频溅射法制备富硅硅酸铒薄膜，结果发现950℃热处理后无硅酸铒晶体形成，1000℃热处理才形成硅酸铒晶体，同时也发现900℃热处理可形成硅纳米晶，但当热处理温度大于900℃时，硅纳米晶便消失了。以上结果说明其无法同时得到硅酸铒晶体和硅纳米晶。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种硅酸铒晶体和硅纳米晶共镶嵌二氧化硅薄膜的制备方法，通过对射频溅射各条件参数的优化以及后续热处理条件的相应调整，同时得到硅酸铒晶体和硅纳米晶。

一种硅酸铒晶体和硅纳米晶共镶嵌二氧化硅薄膜的制备方法，包括步骤：