[发明专利]直接带隙发光的硅基材料及制备方法、芯片上发光器件

说明书

本发明提供了一种实现兼容CMOS工艺的直接带隙发光的硅基材料及其制备方法，该方法包括步骤：准备硅基材料，所述硅基材料为锗材料或者硅锗合金；在所述硅基材料的部分晶格间隙位置填入惰性气体原子和/或原子序数小的原子达到晶格体积膨胀，以实现其能带结构由间接带隙向直接带隙转变，得到直接带隙发光的硅基材料。此外，本发明还提供了一种发光硅基器件。本发明的制备方法兼容CMOS集成电路工艺，实现锗及硅锗合金材料的直接带隙发光，其发光效率比肩InP和GaAs等III‑V族直接带隙材料，为实现硅基或锗基光电子集成技术所需的片上光源提供了一种全新的解决方案。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种兼容微电子CMOS工艺的直接带隙发光的硅基材料及其制备方法、发光硅基器件。

背景技术

微电子技术是当前信息产业的基石。在过去半个多世纪，微电子技术一直在按照每18个月集成度提高一倍的摩尔定律在发展，随着晶体管尺寸接近物理极限，摩尔定律即将失效。而集成微电子器件与光电子器件的光电子集成技术日益成熟，有望接替微电子技术成为未来信息产业的基石。硅基光电子集成的核心目的是将包括光源、光探测器、光波导、光调制器等光学组件集成在微电子芯片上，用光互连代替金属互连，提供效率更高数据传送能力，突破金属互连的物理极限，显著降低系统功耗，解决由于发热限制集成度提高的问题。但是，硅和锗本身都是不发光的间接带隙材料，无法用于制作集成在芯片上的高效发光器件。目前，未能实现兼容硅基CMOS(互补型金属氧化物半导体)工艺的芯片上光源成为阻碍硅基光电子集成技术发展的主要原因。因此，寻找到一种能够与CMOS工艺相兼容的高效发光材料是实现硅基光电子集成技术的核心问题。

在过去的半个多世纪，研究人员一直在寻找高效的发光硅基材料，报道了许多不同的方法和方案来实现硅基高效发光，每年都有新的研究成果发表在国际顶级期刊上，但至今都没有研制成功可应用的硅基高效发光器件。这其中包括稀土(如铒)掺杂硅材料来实现辐射发光，但是存在单晶硅中的稀土元素的固溶度很低，只有很低比例的稀土杂质具有光学活性等问题，导致硅中的稀土杂质不能成为有效的室温发光中心。还有大量工作研究了多孔硅、硅锗合金、锗锡合金、硅同构异形体、硅量子点、硅和二氧化硅超晶格、硅锗超晶格等系统，希望能够实现硅基发光，但是这些方案都无法实现可实际应用的可集成在芯片上的高效光源。

此外，考虑到锗的直接带隙能级只比间接带隙高0.15eV，研究人员已经发现，当块体锗材料或它的低维微纳结构在一定的张应变作用下，其能带结构将从间接带隙转变为直接带隙，满足高效发光的要求。目前，在实验室上使用STM针尖等机械手段让悬空的锗薄片弯曲，在弯曲顶点的外侧产生张应变，形成锗直接带隙发光。这种张应变还可以通过将锗外延生长在一种晶格常数更大的衬底材料表面来提供。但是，在硅CMOS工艺中无法提供比锗的晶格常数更大的衬底，而且机械方法产生张应变的方法无法用于在芯片大规模集成，导致难以用于制作在芯片上高度集成的发光器件。综上，单纯通过施加张应力实现锗高效发光的方案目前无法解决在微电子芯片上集成高效发光器件的难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种兼容CMOS工艺的直接带隙发光的硅基材料及其制备方法、发光硅基器件，以解决上述至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种兼容CMOS工艺直接带隙发光的硅基材料的制备方法，包括步骤：

S1、准备硅基材料，所述硅基材料为锗材料或者硅锗合金；

S2、在所述硅基材料的部分晶格间隙位置填入惰性气体原子和/或原子序数小的原子达到晶格体积膨胀，以实现其能带结构由间接带隙向直接带隙转变，得到直接带隙发光的硅基材料。

在本发明的一些实施例中，所述填入的方式包括离子注入、电化学注入和外延生长。

在本发明的一些实施例中，所述硅锗合金中硅的合金浓度不大于50％。