[发明专利]硅基近红外发光薄膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基发光薄膜材料的制备方法，属于半导体光电子材料技术领域，特别涉及一种掺杂稀土离子的硅基近红外发光薄膜材料的制备方法。

背景技术

众所周知，硅基材料尽管是微电子器件极为优良的基质材料，但是由于硅基材料能带带隙的非直接特性以及晶格中心反演对称性，使硅基材料作为光子学器件的前途受到了极大的限制，无法实现高效的硅基材料发光以及高速率的光调制、光开关等非线性电光器件，严重制约了硅基光电子集成(OEIC)的发展。

幸运的是，在过去二十年中，由于国际上持续不断的努力，在硅基OEIC所需的各个不同光子学单元中除了硅基高效光源之外都已经取得了接近实用化的突破。

毫无疑问，硅基高效发光是整个硅基OEIC领域最核心的环节也是当前这一领域亟待解决的最大瓶颈，因而国际上的竞争也特别激烈。

具体到硅基掺杂稀土离子(RE³⁺)近红外发光，最早起源于1983年德国科学家Ennen等人用离子注入和分子束外延的办法实现了Er掺单晶硅在低温下的光致发光和电致发光的工作(Applied Physics Letters，1983 Vol 43 p943；AppliedPhysics Letters，1985，v 46，n 4，p381-383)。1990年，日本科学家Favennec报道了在Er³⁺掺单晶硅的基础上如果大剂量的同时掺杂O原子等RE³⁺的配位原子，将极大地增强RE³⁺的发光强度和效率(Japanese J.Appl.Phys，Part 2：1990，v 29，p524-526)。考虑到RE³⁺与O等配位原子结合形成的配位体RE—O的键能远小于Si-O键键能(Si-O键键能约为8ev，差不多是自然界中最大的)，在以Si原子为主的基质环境中很难竞争到足够高浓度的配位原子而具有光学活性，不要说配位原子如O等在Si中也有固溶度的限制。因而，即使共掺O原子等能显著增强RE³⁺发光，这一体系还是很难达致实用，除非有一天证明RE-Si_x(x未知)具有光学活性。

因而，后来国际上把相关领域工作的重点转移到SiO₂基等介质体系中掺RE³⁺高效发光上来，因为这些介质中有充足的配位原子可以和RE³⁺结合。如果只是简单的在SiO₂中掺杂RE³⁺，作为光致发光器件(譬如光放大器)而言，由于RE³⁺的窄吸收带和小的光学吸收截面，在缺乏其它能量敏化转移通道的情况下，前途不大；而作为电致发光器件的有源区掺杂材料(MOS结构)，通过热电子的碰撞电离激发可以实现相应器件很高的外量子效率(Applied physics letters，V852004 p3387～3389；Appl.Phys.Lett.71，2824(1997))。但是这一思想具有先天性的器件工作稳定性问题(一般几秒钟)，因为任何一个绝缘介质体系很难长时间的承受高浓度的热电子的产生而不被击穿。

因此，更现实一点说，近期硅基掺杂RE³⁺发光体系的实用目标，应该是瞄准结构紧凑可以取代掺Er³⁺光纤放大器(EDFA)的掺Er³⁺光波导放大器(EDWA)和高效率、高稳定性(载流子复合激发)的电致发光器件(MOS结构)。有鉴于此，最近几年国际上将硅基发光研究工作的重点(至少60％的工作)转移到研究SiO₂基共掺硅纳米晶和RE³⁺(Journal of Physics：Condensed Matter，1994 6(21)pL319；Applied Physics Letters，199771(9)p1198)，期待着通过硅纳米晶的敏化作用来实现高效的稀土离子非直接激发发光，在此基础上进而实现：1、高效率、高稳定性的RE³⁺掺杂MOS结构电致发光器件；2、高效率、宽吸收带硅基EDWA。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基近红外发光薄膜材料的制备方法，这种硅基发光薄膜材料能够实现高效的掺杂稀土离子近红外发光。