[发明专利]一种硅碳氮蓝光发光薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光致发光薄膜领域，更具体地，涉及一种硅碳氮蓝光发光薄膜及其制备方法。

背景技术

硅基发光材料的制造技术与超大规模集成电路完善的硅平面工艺具备兼容性，因而成为光电集成的光电子器件的首选材料，但是，硅是间接带隙材料，其发光效率低，硅的带隙仅为1.12 eV，单晶硅只能在红外区发射微弱的光，限制了它在发光器件中的应用。氮化镓（GaN）蓝光发射二极管是可形成基于红、绿、蓝三色的全色显示器件，但其在工艺上与硅平面工艺不兼容，因而不能被高度发展的微电子集成技术容纳。因此，人们一直在研究探索能在硅基材料的基础上制备宽带隙、发光效率高、适应恶劣环境的蓝色发光材料。碳化硅（SiC）作为一种宽带隙的半导体材料，其带隙在2.2~3.2 eV间，是一种有希望在高温和恶劣环境种作为蓝光、紫外光发光器件。但是，由于SiC是一种间接带隙结构，导致其发光效率低，因此SiC在光电子器件中的应用也受到限制。

三元化合物硅碳氮（SiCN）具有优良的光、电和力学性能，是一种新兴的宽带隙半导体，其带隙在宽范围内可调，宽带隙的SiCN具有直接光学带隙，发光效率高，因此SiCN在蓝光和紫外发光方面具有广阔的应用前景，同时其与硅集成电路工艺兼容特点使其成为光电集成电路的优选材料。目前，有报道提及等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术制备SiCN薄膜，获得了蓝光发光(V.I. Ivashchenko, A.O. Kozak, O.K. Porada, L.A. Ivashchenko, O.K. Sinelnichenko, O.S. Lytvyn, T.V. Tomila, V.J. Malakhov. Characterization of SiCN thin films: Experimental andtheoretical investigations [J]. Thin Solid Films, 2014, 569 : 57–63)，或利用C+离子注入到低压化学气相沉积的非晶SiN_x薄膜，热处理后获得蓝光发光(Yuzhen Liu, Xia Zhang, Chao Chen, Guobin Zhang, Pengshou Xu, Dapeng Chen, Lijun Dong. The photoluminescence of SiCN thin films prepared by C+ implantation into α-SiN_x:H [J]. Thin Solid Films,2010, 518 :4363–4366 )，它们共同的缺点是在化学气相沉积过程中要使用很高的衬底温度，不利于光互连集成电路的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在氮气和氩气气氛中反应溅射SiC靶制备蓝光发光的硅碳氮薄膜。本发明的目的还在于提供所述硅碳氮蓝光发光薄膜的制备方法，

本发明的硅碳氮蓝光发光薄膜的化学通式是SiC_xN_y：其中，x取值0.3~0.4，y取值0.8~0.9。

x优选0.36，y优选0.85。

本发明所述的硅碳氮蓝光发光薄膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）将SiC靶材和Si衬底装入磁控溅射镀膜设备的真空腔内，将真空腔内的真空抽至1.0×10^-3~1×10^-5Pa之间；

（2）调整磁控溅射镀膜工艺参数为：基靶间距为50~70mm，优选60mm氮气与氩气（N₂/Ar）的流量比为0.1~0.4：1，磁控溅射工作压强为1.0~2.0Pa，溅射功率为200~400W，衬底温度为常温，进行磁控溅射制备硅碳氮薄膜；

（3）将步骤（2）制备的硅碳氮薄膜置于退火炉中在氮气保护下400℃~800℃退火3~10分钟，得到蓝光发光的硅碳氮薄膜。

作为优选

步骤（1）中，采用机械泵和分子泵将真空腔体内的真空抽至5×10^-4Pa。

步骤（2）中氮气与氩气（N₂/Ar）的流量比为0.16，磁控溅射工作压强为1.4Pa，溅射功率为300W，基靶间距为60mm。

步骤（3）中，退火温度优选600℃，时间优选5分钟。

得到的硅碳氮发光薄膜在电致发光谱中出现了较强的451nm和490 nm的蓝光发光。

步骤（1）中，所述靶材和衬底可使用市售商品，本发明优选下述方法制备得到。