硅基稀土掺杂发光材料掺杂方法技术

一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：步骤１：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；步骤２：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；步骤３：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；步骤４：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；步骤５：通过退火激活稀土离子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种稀土掺杂发光材料制备方法，特别涉及一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法。
技术介绍
由于硅材料的间接带隙特性，发光效率很低，人们期待通过各种杂质元素的掺入能够有效的增加硅基材料的发光特性，其中，硅基稀土掺杂受到了特别的重视。1983年和1985年，德国科学家Ennen在美国应用物理快报上报道了利用离子注入的方法实现硅基材料稀土铒离子的掺杂并观察到来自于稀土铒离子的光致发光和电致发光(美国Applied PhysicsLetters，1983 Vol 43 page 943和1985 Vol 46 page 381)，引发了全世界对于硅基稀土掺杂制备发光材料的热潮。相关的成果他们申报了欧洲专利。-->1990年为有效的增加硅基稀土离子的发光性能并改善温度淬灭效应，日本科学家Favennec提出采用共掺O等杂质原子的方法可有效的增加硅基稀土离子掺杂体系的发光(Japanese Journal of AppliedPhysics，Part 2：Letters，v29，n4，Apr，1990，p 524-526)，基于此原理先后实现了室温近红外铒掺硅光致发光和电致发光。然而，我们的研究发现，即使采用上述方法，也很难观察到来自于稀土离子的发光信号。基于此，我们通过多次研究发现了可重复的实现稀土离子发光的有效掺杂方法。
技术实现思路
本专利技术专利的目的是提供一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂的稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成。本专利技术一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：-->步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；步骤5：通过退火激活稀土离子。其中硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。其中稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子包括氮、氧、或它们的组合。其中硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子利用离子注入到硅基材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面实行掺杂，或者通过淀积方法在硅片表面生成一层含杂质离子的硅基薄膜实行掺杂。-->其中硅基薄膜中化合物量子点的尺寸在1内米到50纳米之间。其中硅基薄膜中纳米尺度化合物的分子式为SiOx，SiNy，SiOxNy，其中0＜x，y≤2。其中退火的温度在200℃到1000℃之间。其中离子注入时温度在零下200℃到800℃之间。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
，以下结合实例及附图对本专利技术作一详细的描述，其中：图1是通过常温离子注入的方法首先在硅衬底里注入氧或氮，预先在高温下退火生成纳米尺度的化合物量子点；接着注入稀土离子，再次退火激活稀土离子发光的工艺步骤图。图2是在常温下依次注入氧和铒的硅片的低温(10K)荧光谱。激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；其中一批样品在最先注入氧之后，有一次氮气气氛下的高温退火过程。-->具体实施方式本专利技术提出一种与现有微电子工艺完全兼容的硅基稀土掺杂发光材料制备方法。采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成。国际上已经在硅基掺稀土发光材料领域作了大量的工作，一般而言，都是采用稀土离子和杂质离子共掺的办法然后一步退火激活稀土离子、让稀土离子与杂质离子形成络合的发光中心，同时也让硅基材料结晶。这种办法有很明显的缺陷，主要是需要的杂质离子太多。因为化学键Si-O键键能远大于稀土和氧原子之间的键能，因此共掺的氧只有很少一部分能够和稀土离子结合。而大量无效的氧原子的掺入对晶体材料造成了严重的晶格损伤。在我们这种办法中，氧原子等原子事先引入硅基材料中，通过预退火工艺使之在衬底里面和硅发生反应生成高密度的纳米尺度的二氧化硅纳米粒子同时又不对晶格材料造成严重的损伤。在此基础上，纳米尺度的二氧化硅等纳米粒子可以作为后续稀土离子的成-->核中心，让稀土离子优选沉积在纳米二氧化硅粒子外围或里面。这种方式生成的稀土离子络合物具有高度的光学活性。此种工艺也与现有的硅基微电子工艺完全兼容。研究表明，无预退火形成化合物量子点的掺铒样品，光泵情况下无发光产生；相反，有预退火形成化合物量子点的掺铒样品，光泵情况下可实现比较强的发光，相关试验重复性好。请参阅图1所示，本专利技术提供一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，采用在硅材料中预先生成纳米尺度的化合物量子点，此量子点可作为后续离子注入掺杂的稀土离子的优先成核中心。然后通过离子注入的方法实现稀土离子的掺杂。后续退火可激活稀土离子，实现高密度以及高比例的稀土离子光学激活。此类材料与器件可应用于硅基光电子集成，其特征在于，其中包括：步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料-->表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子包括氮、氧、或它们的组合。硅基薄膜中除稀土离子之外的杂质离子利用离子注入到硅基材料表面实行掺杂，或者通过淀积方法在硅片表面生成一层含杂质离子的硅基薄膜实行掺杂步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；硅基薄膜中化合物量子点的尺寸在1纳米到50纳米之间。硅基薄膜中纳米尺度化合物的分子式为SiOx，SiNy，SiOxNy，其中0＜x，y≤2。步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。离子注入时温度在零下200℃到800℃之间。步骤5：通过退火激活稀土离子；退火的温度在200℃到1000℃之间。图2是在常温下依次注入氧和铒的硅片的低温-->(10K)荧光谱。激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹；其中一批样品在最先注入氧之后，有一次氮气气氛下的高温退火过程。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：步骤１：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；步骤２：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；步骤３：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；步骤４：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；步骤５：通过退火激活稀土离子。

【技术特征摘要】
1.一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中包括如下步骤：步骤1：取一硅基衬底体材料，或硅基衬底体材料上的薄膜；步骤2：通过离子注入或淀积的方法在衬底材料或硅基衬底体材料上的薄膜表面生长一层含有杂质的硅基薄膜；步骤3：通过退火使硅基材料上的薄膜硅基材料结晶，同时生成含有杂质元素的化合物量子点；步骤4：通过离子注入实现稀土离子的掺杂；步骤5：通过退火激活稀土离子。2.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中硅基衬底为单晶体硅，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金、量子阱、量子线、量子点。3.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制备方法，其特征在于，其中稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。4.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂发光材料制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建国，王晓欣，成步文，余金中，王启明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]