[发明专利]一种可用于硅基光电集成器件的SiOx薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于硅基光电集成器件的SiOx薄膜制备方法，属于光电子材料技术领域。

背景技术

以硅基材料为基础的微电子技术的发展是21世纪最引人注目的高技术成就之一，利用集成电路技术制作的半导体芯片，已经成为现代电子技术的基础，并且引起了社会生活的巨大变革。当Si微电子技术越来越接近其物理极限的时候，信息和通讯技术对进一步提高传输速率，开发研制超高速、超大容量的硅基光电子集成芯片提出了挑战，于是硅基光电集成关键材料和器件的研究开发便成为国际科学界和工业界特别受关注的重大研究课题。

近年来，SiOx薄膜由于其在双稳开关方面，负电阻方面的应用⁽¹⁾，特别是在电致发光显示方面的前景而受到到关注⁽²⁾。研究发现，不同的制备方法和参杂会使SiOx薄膜中产生不同的发光中心，从而使其发光波长发生变化，因而在这种基质中可以获得不同的范围的发光波长。此外，对SiOx薄膜进行热处理可以获得镶嵌在SiO₂介质中的纳米硅，而纳米硅的发光和存储特性最近取得了突破性的进展，2000年意大利Trento大学L.PAvesi研究组在二氧化硅中用离子注入和热退火相结合的方法获得纳米硅，并从实验上验证了纳米硅在短波激光泵浦下的光增益，为纳米硅激光器的实现提出了可能性⁽³⁾，2005年美国加州研究所巧妙的设计了以纳米硅为浮置栅的MOS结构，通过加电场来控制其电致发光，实现了电光控制⁽⁴⁾。如果将SiOx薄膜的特点与当前硅基发光器件和存储器件相结合，它在未来的微电子光电集成方面将会有更广阔的应用空间，成为实现硅基光电集成的一种新材料，为实现硅基光电集成提供了新的思路。

据申请人了解，到目前为止，国际上研究小组制备SiOx薄膜的方法主要是磁控溅射的方法。该方法的原理是用磁场改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率，使气体离子对靶材轰击溅射出原子沉积形成薄膜。长期以来，磁控溅射法制备SiO₂一般采用射频溅射工艺。虽然经过了多年的发展，射频溅射还远没有达到令工业界满意的水平，主要表现为设备复杂、运行费用高和沉积速率偏低，无法充分满足大面积镀膜工业生产的需要。射频溅射功率利用率不高大量功率转化成热量从靶的冷却系统中流失，因此需要对靶及其附件进行特别设计，同时也需要相对高的功率来进行镀膜。然而大功率射频电源在设计上有很大困难，随之而来的干扰和辐射等问题也相当严重，限制了射频溅射向更大面积的发展。从溅射速率看，由于SiO₂的溅射产额很低，因此，寻找替代射频溅射制备介质膜的研究一直没有停止过。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种可用于硅基光电集成器件的SiOx薄膜制备方法，该方法应当成本低、对环境无污染，且能在低温下进行，从而可以切实应用于未来的硅基纳米光电子学器件。

为了达到以上目的，本发明的技术方案为：一种可用于硅基光电集成器件的SiOx薄膜制备方法包括以下步骤：

第一步骤、清洗硅片衬底，并去除其表面自然氧化层后干燥；

第二步骤、蒸发薄膜

2-1、将清洗后的硅片衬底放入电子束蒸发沉积装置的反应腔，在电子束蒸发的过程中通入所需流量的O₂，在硅片衬底正面获得所需氧配比的SiOx薄膜；

2-2、快速热退火，使SiOx薄膜中的Si先析出成核、结晶；

2-3、恒温退火处理，使结晶核继续长大，生成镶嵌有纳米硅量子点的二氧化硅薄膜，纳米硅的尺寸最好控制在2nm-10nm；

第三步骤、制备器件的电极

3-1、在镶嵌有纳米硅的SiO₂薄膜上淀积留有光学窗口的导电薄膜作为发光器件阴极，该电极也可以用作电学存储特性测试的阴极；

3-2、在硅片衬底背面淀积导电薄膜作为发光器件的阳极，该电极也可以用作电学存储特性测试的阳极。

经过以上步骤，即可实现X值可控的SiOx薄膜中的制备，并进一步获得尺寸可控的镶嵌有纳米硅的SiO₂薄膜。SiOx薄膜中X的值可以在0.1与2之间调整变，而且实验发现通过调整X的值可以进一步控制纳米硅量子点的尺寸，最小可以控制到2nm。