[发明专利]用Si+自注入制备室温下硅晶体D1线发光材料的方法

说明书

技术领域：

本发明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，属于光电子技术领域。

背景技术

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外，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1.54μm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(＜1×10¹⁸cm^-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～18μs，器件的室温外量子效率～2×10^-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，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容：

本发明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。

本发明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-300keV。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700℃-1100℃，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。