用Ｓｉ＋自注入制备室温下硅晶体Ｄ１线发光材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种用Ｓｉ＋自注入制备室温下硅晶体Ｄ１线发光材料的方法，属于光电子技术领域。本方法具体步骤为：ａ．用离子注入机将Ｓｉ＋作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为１０１２ｃｍ－２－１０１６ｃｍ－２，注入能量为１００ｋｅＶ－３００ｋｅＶ；注入整个过程在真空、室温环境下进行；ｂ．对注入Ｓｉ＋离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度７００－１１００℃，退火时间为１－２０小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温Ｄ１线强发光的硅材料。本发明专利技术突出的优点在于：用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Ｓｉ基ＣＭＯＳ集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光电子－微电子集成工程的实现奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电材料的制备方法，具体涉及使用Si+自注入在晶体硅中形 成室温高效的D1线发光新技术，属于光电子

技术介绍
Si是实现光电子_微电子集成工程的最佳候选材料。因为除易于兼容和集成的优 点夕卜，Si基光电材料与其它光电材料相比还具有成本低廉、可靠性高以及功能扩展性强等 的特点。但是硅是间接带隙的半导体，即导带底和价带顶的空间波矢不同。所以，为了满足 动量守恒，来自导带底的电子和来自价带顶的空穴的复合必须有声子的参与，而这种三个 粒子参与的复合过程使得发光效率大为降低。近20年来，人们一直在为增强Si材料的发 光而不懈探索。目前，发展硅基发光材料的研究主要有离子注入单晶硅、离子束溅射生长Si/Ge 量子点、及化学腐蚀制作成多孔硅。其中，离子注入法具有与大规模集成电路工艺兼容、能 精确控制注入离子的浓度和分布、在较低温度下能进行操作的突出优点。近年来，在采用离 子注入技术和匹配的退火工艺处理后的Si中发现了一些新颖物理和光学特性，这使得离 子注入硅晶体成为一个热点研究领域。据文献报道，目前采用离子注入技术注入硅晶体发光的离子主要包括稀土离子 Er+、IV族元素C+、Ge+,以及B、S、P常规离子。在采用以上离子注入硅使其发光的研究中， 虽然取得了一些成果，但仍然没有突破性的进展。如掺铒硅能获得波长为1.54μπι的光致 发光，但是由于Er的原子量很大，必须采用高能量注入机，同时由于Er在Si晶体中的固溶 度较低(< 1 X IO18Cm-3)，因而导致其发光效率很低。又如将注入B+的硅晶体制作成Si发 光二极管，发光响应时间为 18 μ s，器件的室温外量子效率 2 X 10_4，如果计及器件的边 反射，据称外量子效率达10_3，即约为GaAs的1/10。因此需要探索研究新型的注入离子，使 其注入硅晶体后能高效发光。经文献检索，未见与本专利技术相同的公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种与现行Si集成电路完全兼容的用Si+自注入在晶体 硅中形成室温高效的D1线发光新技术，以获得亮度强，稳定性好，可在室温下D1线发光硅材 料。本专利技术通过下列技术方案实现用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法，包括采用离子注入机 在室温、真空环境下将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1012cm_2-1016cm_2，注入能量为 100keV-300keVo注入完成后，在氮或氩气氛下对注入后的硅晶采取退火处理，退火温度 7000C -1100°C，退火时间为1-20小时。所述的离子注入硅基过程，预先用现有技术对硅基底材料进行处理A、选择晶向为100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟， 除去基底表面有机物和无机物杂质；B、将清洗过的Si基底材料，先用H2SO4 H2O2 = 4 1的溶液煮沸10分钟，再用 HF H2O2 =1:9 的溶液浸泡 20s-40s ；C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH3OH H2O2 H2O = 1 1 4的 溶液煮沸10分钟，再用HF H2O2 =1:9的溶液浸泡20S-40S ；D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO3煮沸3分钟，再用HF H2O2 = 1 9的溶液浸泡20s-40s ；E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL H2O2 H2O = 3 1 1的溶 液煮沸5分钟，再用HF H2O = 1 20的溶液浸泡30s-60s，最后用高纯氮气吹干。上述步骤得到的硅晶体D1线发光的材料，基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。本专利技术突出的优点在于用成本低、工艺简单的离子注入技术来获得室温下发光 稳定、高效的硅材料，同时该材料与现行Si基CMOS集成电路能够完全兼容，为全硅芯片光 电子_微电子集成工程的实现奠定了基础。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术做进一步描述。实施例1 本专利技术是一种用Si+自注入在晶体硅中形成室温高效的D1线发光新技术。通过向 硅晶体中自注入Si+，来获得D1强发光的室温工作硅材料，具体步骤如下步骤1 选取晶向为(100)的P型单晶Si片，单面抛光。步骤2 用现在有方法对硅基底材料进行处理A、选择晶向为100的Si基底材料，用甲苯、丙酮、无水乙醇分别依次清洗15分钟， 除去基底表面有机物和无机物杂质；B、将清洗过的Si基底材料，先用H2SO4 H2O2 = 4 1的溶液煮沸10分钟，再用 HF H2O2 =1:9 的溶液浸泡 20s-40s ；C、经上述B步骤处理后的Si基底材料，先用NH3OH H2O2 H2O = 1 1 4的 溶液煮沸10分钟，再用HF H2O2 =1:9的溶液浸泡20S-40S ；D、经上述C步骤处理后的Si基底材料，先用浓HNO3煮沸3分钟，再用HF H2O2 = 1 9的溶液浸泡20s-40s ；E、经上述D步骤处理后的Si基底材料，先用HCL H2O2 H2O = 3 1 1的溶 液煮沸5分钟，再用HF H2O = 1 20的溶液浸泡30s-60s，最后用高纯氮气吹干。步骤3 :Si+离子注入Si基用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1013cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。步骤4 对离子注入后的Si基退火处理在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度700°C，退火时间为1 小时。上述步骤得到的硅晶体D1线发光的材料，基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发 光。实施例2 步骤1、步骤2、步骤4与实施例1相同。步骤3 用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为IO14CnT2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例3 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例4 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1016cm_2，注入能量为200keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例5 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为IOOkeV,离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例6 基本同实施例1。不同之处为用离子注入机将Si+自注入硅基片，其注入剂量为1015cm_2，注入能量为300keV，离 子束里硅片之间的夹角为r，抛光面注入，整个注入过程在真空、室温环境下进行。实施例7 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900°C，退火时间为1 小时。实施例8:基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取退火处理，退火温度900°C，退火时间为2 小时。实施例9 基本同实施例2。不同之处为在氮或氩气氛下对注入后的硅基片采取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用Ｓｉ↑［＋］自注入制备室温下硅晶体Ｄ↓［１］线发光材料的方法，其特征在于本方法通过向硅晶体中自注入Ｓｉ↑［＋］，获得中心波长处于～１．５５μｍ的室温Ｄ↓［１］线强发光的硅材料；具体步骤如下：ａ．用离子注入机将Ｓｉ↑［＋］作为注入离子自注入用现有方法处理过的硅基片中，其注入剂量为１０↑［１２］ｃｍ↑［－２］－１０↑［１６］ｃｍ↑［－２］，注入能量为１００ｋｅＶ－３００ｋｅＶ；注入整个过程在真空、室温环境下进行；ｂ．对注入Ｓｉ↑［＋］离子的硅基片进行高温炉退火处理，退火温度７００－１１００℃，退火时间为１－２０小时，保护气氛为氮或氩气；退火处理后得到室温Ｄ↓［１］线强发光的硅材料，硅材料基于缺陷环及缺陷环附近点缺陷的发光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇，王茺，韦冬，李亮，熊飞，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]