[发明专利]一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法、该发光材料及硅基激光器

说明书

本发明公开了一种掺铒(Er)或铒氧(Er/O)的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法及由该方法制成的掺铒或铒氧的硅基发光材料。所述制备方法包括以下步骤：步骤a：对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或者铒离子和氧离子同时注入掺杂(co‑doping)，获得掺铒或铒氧的硅片；以及步骤b：对所述掺铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程。本发明中掺铒或铒氧的硅基发光材料的制备方法，通过深冷退火技术成功实现了硅基半导体材料在1.53μm波段的高效室温光致发光，为硅发光及硅激光光源的成功制备提供了一种可行的技术手段。整个工艺流程可与CMOS工艺相兼容，具备重要的工业应用价值。本发明还进一步提供了一种基于上述深冷退火工艺的掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段激光器。

技术领域

本发明属于半导体硅光电技术领域，涉及一种硅基半导体工艺处理的新方法，尤其涉及一种掺铒或铒氧的硅基发光材料的制备方法。

背景技术

实现硅基光子集成技术以及硅基光电子集成技术，可突破当前微电子技术发展的瓶颈。利用硅基材料制造出高质量、高效率的室温通讯波段发光器件，对光电子学乃至整个信息技术领域均具有重要意义。由于受间接带隙能带结构的限制，本征硅材料表现出很低的发光特性，原则上不能实现硅基光源。目前，对多孔硅、硅纳米晶体和掺铒(Er)或铒氧(Er/O)的硅等硅基改性材料的研究，为实现硅发光甚至硅激光提供了一些可能途径。其中，掺铒或铒氧的硅基发光材料，由于其发光波长位于通信波段且与CMOS工艺完全兼容等诸多优点，长期受到广泛关注。然而，掺铒或铒氧的硅材料，在室温下仍存在非辐射跃迁淬灭等缺陷，发光效率极低，已成为其工业应用的唯一技术瓶颈。

因此，开发一种能大幅提高室温条件下掺铒或铒氧硅发光材料的发光效率的新技术，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法，其采用一种超快速冷却的退火技术，可实现制备的掺铒或铒氧的硅基发光材料在1.53μm附近的高效室温发光。

本发明的一个方面是提供了一种掺铒或铒氧的硅基室温通讯波段发光材料的制备方法，包括以下步骤：步骤a：对单晶硅片实施铒离子注入掺杂或铒离子和氧离子同时注入掺杂，获得掺杂铒或铒氧的硅片；所述单晶硅片为表面有锗外延层的硅片或硅在绝缘层之上的SOI硅片或其它硅基晶圆；以及步骤b：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行深冷退火处理，所述深冷退火处理包括升温过程以及快速冷却过程。

优选地，步骤a中，铒离子注入能量范围为20keV～1MeV，剂量范围为4×10¹⁴～4×10¹⁶cm^-2。当同时也注入氧离子时，氧离子的注入能量范围为3keV～300keV，剂量范围为10¹⁵～10¹⁷cm^-2。

优选地，步骤b进一步包括：

步骤b1：对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行高温处理；和

步骤b2：高温处理后立即进行超快速冷却处理。

优选地，步骤b1中采用通电铜圈对所述掺杂铒或铒氧的硅片进行电磁加热，步骤b2中采用低温高纯氦气进行超快冷却处理。

优选地，步骤b1中采用激光脉冲开启相(ON phase)进行升温，步骤b2中采用所述激光脉冲关闭相(OFF phase)进行快速冷却处理。

优选地，还包括：步骤b之前对所述掺杂铒或铒氧的硅片表面沉积介电材料薄膜保护层的步骤，以及步骤b之后去除所述保护层的步骤。

优选地，步骤b1中最高温度达到1300℃，步骤b2中降温速率不小于-200℃·s^-1，即每秒降温200摄氏度以上。