[发明专利]一种铝、磷共掺杂硅纳米晶的制备方法

说明书

本发明提供一种铝、磷共掺杂硅纳米晶的制备方法，包括步骤：步骤1），提供一基底，采用低压化学气相沉积法于基底上沉积出铝和磷掺杂的二氧化硅薄膜；步骤2），采用分相热处理工艺使所述二氧化硅薄膜中分相析出铝和磷掺杂的硅纳米晶，所述硅纳米晶镶嵌于二氧化硅薄膜中；步骤3），对所述二氧化硅薄膜及硅纳米晶进行氢气钝化处理，以去除二氧化硅薄膜及硅纳米晶中的缺陷和悬挂键。本发明分别采用铝和磷进行P型和N型掺杂，扩大了硅纳米晶发光的光谱范围，降低了由于俄歇效应产生的光子吸收，提高了硅纳米晶发光效率，同时，本发明所制得的硅纳米晶杂质掺杂量可调，结晶质量好，是一种理想的硅基片上光源。

技术领域

本发明属于硅光子技术领域，具体涉及一种可用于硅基光源的铝、磷共掺杂硅纳米晶的制备方法。

背景技术

随着智能设备的崛起和社交网络的普及，通信业务量呈现爆炸式增长。传统的电互联技术由于晶体管数量的增加和芯片吞吐量成倍增长面临着功耗过大和延时过高的问题，仅目前全球计算中心消耗的电量就占全球总发电量的0.8％。硅光子技术的发展，为解决这些问题提供了有效的途径。一方面，硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，而光波又是一种频率极高的电磁波(200-1000THz)，为信号的传输提供了非常大的带宽；另一方面，波分复用(wavelength division multiplex,WDM)又将通信带宽的利用率大幅度提升；此外，光通信还有延时小，发热少，抗电磁干扰等优势。因此，硅光子技术正成为信息科学技术的前沿和热点，包括美国、欧盟、日本等发达国家纷纷将硅光子技术列入科技战略规划，力争在新一轮的电子信息技术变革中占据优势。

硅光子技术的主要研究领域有光源、电光调制、光探测、光复用以及波导光纤耦合技术。其中纯硅基光源是硅光子技术的难点，相对于常用的III-V族激光技术，硅基光源成本较低、光纤与波导的耦合损耗小、集成度高，是理想的片上光源，但由于体硅是间接带隙材料，使得纯硅光源十分难以实现。将硅的尺度减小到纳米尺度，由于量子限域效应，纳米硅的能级相对于体硅发生变化，从而可以制备出基于硅纳米晶的激光器。掺杂可以改变硅纳米晶的发光范围，N型和P型杂质共掺杂更可以减少因俄歇效应损失的光子，从而提高发光效率。Minoru Fujii等人(Applied Physics Letters 85,1158(2004))报导了一种硼、磷共掺杂的硅纳米晶，其将B₂O₃、P₂O₅与SiO₂按固定比例混合制成靶材，然后用共溅射的方法制备硅纳米晶。用此种方法得到的硅纳米晶，其掺杂量都是固定的，无法方便的改变其光输出从而适用于各个场合。此外，关于其他类型的N型、P型共掺杂硅纳米晶尚未有报道。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铝、磷共掺杂的硅纳米晶的制备方法，用于解决现有技术中硅基激光源难以实现的问题，本发明制备出一种发光效率高的纯硅基光源，具备较高的发光效率，可用于片上纯硅基激光器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种铝、磷共掺杂硅纳米晶的制备方法，包括步骤：步骤1)，提供一基底，采用低压化学气相沉积法于基底上沉积出铝和磷掺杂的二氧化硅薄膜；步骤2)，采用分相热处理工艺使所述二氧化硅薄膜中分相析出铝和磷掺杂的硅纳米晶，所述硅纳米晶镶嵌于二氧化硅薄膜中；步骤3)，对所述二氧化硅薄膜及硅纳米晶进行氢气钝化处理，以去除二氧化硅薄膜及硅纳米晶中的缺陷和悬挂键。

作为本发明的铝、磷共掺杂硅纳米晶的制备方法的一种优选方案，包括步骤：

步骤1)，提供一单晶硅衬底，将单晶硅衬底放入真空室，抽真后加热衬底至700～900℃，通入二氯硅烷、磷烷、三甲基铝蒸汽和一氧化二氮气体，于所述单晶硅衬底表面沉积出铝和磷掺杂的二氧化硅薄膜；真空室中发生反应如下：

SiCl₂H₂+2N₂O→SiO₂+2N₂↑+2HCl↑