一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和在发光领域的应用。该制备方法包括步骤：(1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用磁控溅射方法对掺铒氧化镓靶材进行溅射或者对铒靶材和氧化镓靶材进行共溅射，在预溅射至挡板至少5min后再开始在加热的衬底上溅射沉积薄膜；(2)在氧气或氮气气氛下，对步骤(1)得到的薄膜进行300℃以上的高温热处理，在激活铒的同时使氧化镓晶化，之后自然降温，得到所述掺铒氧化镓薄膜。本发明专利技术制备工艺简单，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。信等领域具有广阔的应用前景。信等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及硅基光电子
，具体涉及一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着微电子产业、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。
[0003]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。
[0004]科研工作者为了提高铒的掺杂浓度和开启电压，先后将铒掺入硅的pn结，硅的绝缘性化合物如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及硅酸铒，窄带隙的半导体如砷化镓、磷化铟等。但硅、砷化镓、磷化铟等窄带隙半导体固溶度低且铒对于基体由于俄歇效应产生强的能量背传递极大削弱了铒的发光效率；氧化硅和硅酸铒的高绝缘性又造成器件的开启电压高于70V；氮化硅、氮氧化硅本身存在的以及富硅引入的缺陷造成器件的效率大幅降低。
[0005]为解决掺铒电致发光器件开启电压高和能量背传递导致的效率降低问题，科研工作者将铒掺入宽带隙的半导体诸如氮化镓、氧化锌，氧化钛等等。比如Yang,Y.,et al.,Low
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voltage driven visible and infrared electroluminescence from light
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emitting device based on Er
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doped TiO2/p+
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Si heterostructure.Applied Physics Letters,2012.100(3):p.031103：完成了铒在氧化钛基体的的掺杂，在保持铒的浓度为10
20
cm
‑3的同时，让器件的开启电压低于10V。每种半导体基体有其特有的缺点和优点，比如，氮化镓的镓离子和铒离子原子半径比较接近，化合价相等，在完成替位掺杂时会造成较小的晶格畸变和电学缺陷，但是N的存在会和Er形成没有光学活性的氮化铒化合物，造成器件的效率降低；氧化钛和氧化锌存在的氧可以和铒形成据有光学活性的ErO复合体避免铒离子团簇，同时基体存在的氧缺陷可以敏化铒离子，但是锌离子和钛离子的化合价和铒有不同，会造成替位掺杂后存在电学缺陷不利于铒的发光。
[0006]基于这些掺铒薄膜制备的电致发光器件，已有工作对器件结构进行研究，如(马向阳,杨扬,杨德仁.一种无机电致发光器件及其制备方法[P].浙江：CN104124316A,2014
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10
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29.)，其第一和第二势垒层的加入加强了载流子在发光层的限域效应，让载流子更多的集中在发光层，但是目前研究，对器件发光机制缺乏探究和调控，究竟载流子是如何激发铒离子，是电子或者空穴对铒离子完成激发机理仍没有探究，更没有对应的调控。
[0007]所以，掺铒硅基电致发光器件目前的瓶颈在于缺少一种优秀的掺铒基体，可以实现铒离子的高效低开启电压的红外电致发光，同时，缺少对器件发光机理的研究和器件宏观结构的设计。
[0008]针对本领域存在的不足之处，即
①
缺乏一种优秀的铒离子的发光载体，让其制备的掺铒电致发光器件有低的开启电压，同时避免铒向基体的能量背传递，且铒的晶格掺杂尽量避免电学和力学缺陷；
②
缺乏对电致发光器件的发光机理的分析和对器件的宏观结构设计，以获得高效的铒离子的近红外电致发光。故本专利技术提出了一种新的掺铒宽带隙半导体基体——氧化镓，目前没有实现掺铒氧化镓近红外电致发光的报道，由Chen Z,Saito K,Tanaka T,et al.Efficient pure green emission from Er
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doped Ga2O3 films[J].CrystEngComm.2017,19(31):4448
‑
4458.报道了通过PLD方法在p
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Si上制备掺铒氧化镓薄膜，但是其单步PLD方法制备得到的薄膜缺陷较多，电致发光得到的电子空穴在被缺陷能级捕获，电子空穴只能于缺陷处复合，之后再将能量传递给铒离子的相近的能级，故而只能实现铒离子的可见范围的电致发光，无法实现近红外波段的电致发光，这与掺铒电致发光器件的专利技术初衷相悖。本专利技术提供了通过在不同的衬底上进行射频磁控溅射制备掺铒氧化镓薄膜的方法，通过射频溅射得到致密的薄膜，通过后续氧气气氛热处理工艺去除薄膜内存在的氧空位缺陷，并使氧化镓晶化，铒离子替位镓离子完成掺杂。随后控制电压施加的方向，通过对器件内部载流子行为的分析和调控，可得到两种不同器件结构和发光机理的掺铒氧化镓近红外电致发光器件。

技术实现思路

[0009]针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种掺铒氧化镓薄膜的制备方法，采用磁控溅射的方法制备掺铒的氧化镓薄膜，然后通过高温热处理在薄膜内形成掺铒氧化镓的晶粒。
[0010]一种掺铒氧化镓薄膜的制备方法，包括步骤：
[0011](1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用磁控溅射方法对掺铒氧化镓靶材进行溅射或者对铒靶材和氧化镓靶材进行共溅射，在预溅射至挡板至少5min后再开始在加热的衬底上溅射沉积薄膜；
[0012](2)在氧气或氮气气氛下，对步骤(1)得到的薄膜进行300℃以上的高温热处理，在激活铒的同时使氧化镓晶化，之后自然降温，得到所述掺铒氧化镓薄膜。
[0013]所述掺铒氧化镓薄膜可进一步制成电致发光器件，其中，对于上述制备方法中衬底的选择和制成的电致发光器件电极的施加方向影响器件的电学性能和电致发光性能，例如：若选择重掺p型硅作为衬底则后续电致发光器件主体为Ga2O3‑
Si形成的异质pn结，在p型硅一侧接正极，发光机制为电子空穴于结间复合离化铒离子完成发光；若选择重掺n型热氧化的硅片作为衬底，在n型硅一侧接负极，则后续电致发光器件主体为Ga2O3‑
SiO2‑
Si的SOS(Semiconductor
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Oxide
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Semiconductor)结构，发光机制为电子从n
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Si一端通过FN隧穿成为热电子，碰撞铒离子完成发光，其机制和机理完全不同于CN104124316A专利技术利用第一、第二势垒层加强载流子的方式。
[0014]上述制备方法中，溅射镀膜后还需进行热处理，促进氧化镓晶体的结晶和铒离子的替位掺杂。步骤(2)中，可具体根据需要选择合适的高温热处理温度，从而得到所需的薄膜结晶性和晶粒大小，获得所需的薄膜电致发光强度和稳定性。
[0015]上述制备方法步骤(2)中，优选采用氧气气氛。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺铒氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用磁控溅射方法对掺铒氧化镓靶材进行溅射或者对铒靶材和氧化镓靶材进行共溅射，在预溅射至挡板至少5min后再开始在加热的衬底上溅射沉积薄膜；(2)在氧气或氮气气氛下，对步骤(1)得到的薄膜进行300℃以上的高温热处理，在激活铒的同时使氧化镓晶化，之后自然降温，得到所述掺铒氧化镓薄膜。2.根据权利要求1所述的掺铒氧化镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热的衬底温度在100℃以上，所述真空为真空度不大于5
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‑3Pa，所述氧气和氩气的体积流量比为2:1～40，溅射时，掺铒氧化镓靶功率为10～190瓦，铒靶功率为5～50瓦，氧化镓靶功率为50～190瓦，溅射腔室的压强为0.1～10Pa，在衬底上溅射沉积薄膜的时间为5～60min。3.根据权利要求1或2所述的掺铒氧化镓薄膜的制备方法制备得到的掺铒氧化镓薄膜。4.根据权利要求3所述的掺铒氧化镓薄膜，其特征在于，所述掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东升，何马军，庞厚玮，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：