[发明专利]一种多层全硅发光材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子材料技术领域，特别是涉及一种多层全硅发光材料及其制备方法。

背景技术

目前，我们正处于后信息时代，其特点是由电子信息阶段过渡到光子信息阶段，现在已经完成以光子为信息载体的转换过程，如已经实现全光的光纤通信和光通信。当今的发展进入芯片上的光电子集成与芯片级的全光化，这是实现光量子信息处理和光量子信息计算的关键，而作出硅芯片上的用于光互联的光源与传播节点是一项瓶颈性的工作。

众所周知，建立在硅基上的微电子信息产业高度发达，但是受尺寸与功耗的限制，摩尔定律已经到了适用范围的极限。科学家们试图在硅基上建立起全新的光量子信息处理系统，取代现在的微电子信息系统，实现信息时代革命性的跨越。这里，我们要解决几个关键性的问题，一是在什么材料上建立光量子信息处理系统，有些材料特别是半导体材料的光学性质很好（例如砷化镓半导体材料），但是硅材料有很好的基础且属于环保材料，所以最终选择在硅基上建立光量子信息处理系统。二是需要改进硅材料的光学性质，我们知道单晶硅的间接带隙结构致使硅材料的发光效率很低，而改进硅材料的光学性质的途径主要是采用能带工程，制备硅的低维纳米结构获取准直接带隙结构，如纳米硅、多孔硅、锗硅应变层和纳米氧化硅等材料。

令人振奋的是2000年L.Pavesi研究小组的工作实现了氧化硅中镶嵌纳米硅结构的光致发光的光学增益，这奠定了电泵浦和光泵浦全硅基相干光源的基础。但是，归纳起来，国内外近十年的研究工作仍存在问题：在上述材料的制备中存在诸多的不足，如多孔硅不易保存、发光不稳定，纳米硅和锗硅应变层的制备成本高（传统的分子束外延（MBE）方法和化学气相沉积（CVD）方法）、不易产业化等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种易于保存、发光稳定、成本低并易于实现产业化生产的多层全硅发光材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

    本发明多层全硅发光材料是以单晶硅为垫层，在垫层表面依次覆盖有纳晶硅层（nc－Si）、非晶硅层（a－Si）和氧化硅层（SiO₂）。

上述发光材料的纳晶硅层和非晶硅层的厚度分别为40～60nm，所述氧化硅层的厚度为20～80nm。

前述方法材料的制备方法：取单晶硅片，去除硅片上的氧化硅层，清洗，获取1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒的脉冲激光束，调节脉冲激光束功率密度至产生白色等离子体辉光，在氮气氛围中用调节好的60～80纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品3～5秒，再在氧气氛围中用调节好的80～100纳秒脉宽的脉冲激光束照射样品6～9秒，然后置于氮气氛围中在1000℃高温下退火10～30秒，自然冷却至室温后置于氧气氛围中在1000℃高温下退火20～60秒，即得。

具体的，上述制备方法为：

（1）预处理：对单晶硅片进行掺杂，形成电阻率2～20欧·厘米的硅片，用氢氟酸除去硅表面在空气中形成的氧化硅层，并用酒精和去离子水清洁表面；

（2）获取脉冲激光束：获取纳秒脉冲激光，倍频镜倍频后在532nm波长激光束斑下调节基模出射，调激光重复率至800～1200次/秒、脉宽60～100纳秒，除掉倍频镜，在1064nm波长激光束下调节汇聚到硅表面上的功率密度至产生白色等离子体辉光；

（3）硅片加工：在氮气氛围中，用调整好的60纳秒脉宽的脉冲激光束照射（2）所获得的单晶硅片3秒钟，再在氧气氛围中用100纳秒脉宽的脉冲激光束照射单晶硅片6秒钟；在氮气氛围条件下，用较短纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片，在表面形成纳晶结构，在充氮气的条件下形成的纳晶缺陷较少；在氧气氛围条件下，用较长纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片，在纳晶结构上形成非晶硅纳米薄膜及氧化层，构建界面缺陷态，在充氧气的条件下形成的纳晶缺陷较多。

（4）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氮气氛围中， 保持1000℃高温退火30秒，自然冷却至室温后再次放入高温退火炉，在氧气氛围条件下，保持1000℃高温退火60秒，即得。样品在氮气氛围条件下进行高温快速退火以控制缺陷态的分布数量，在氧气氛围条件下进行高温快速退火，控制纳晶粒尺寸和氧化程度。