[发明专利]一种锗-铒掺杂二氧化锡多层复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锗量子‑铒掺杂二氧化锡多层复合半导体薄膜及其制备方法，本发明利用高真空多射频靶磁控溅射系统，在清洗后的衬底上，交替进行铒掺杂二氧化锡子层和非晶锗子层的溅射沉积，将沉积得到的铒掺杂二氧化锡/非晶锗多层复合半导体薄膜在氮气环境中进行热退火处理，使非晶锗子层内锗原子聚集晶化形成锗量子点，得到交替层叠结合在衬底上的锗量子‑铒掺杂二氧化锡多层复合半导体薄膜。本发明采用在铒掺杂二氧化锡半导体薄膜中插入锗量子点层，利用锗量子点的电子强关联特性敏化增强铒发光中心的光学活性，提高其发光效率；通过调节锗量子点的微观尺寸，可以改变其电子关联特性，实现对铒掺杂氧化物半导体材料中铒发光中心的光学调控。

技术领域

本发明属于半导体薄膜技术领域，具体涉及一种锗-铒掺杂二氧化锡多层复合薄膜及其制备方法。

背景技术

稀土是指化学周期表中的镧系元素以及与其密切相关的钪和钇共17种元素。稀土离子具有未填满的4f电子壳层结构，其中4f电子在4f组态之内或4f与5d之间的跃迁可产生大约30000条可观察到的谱线，涵盖了从紫外、可见到近红外多种波段范围内的光发射。稀土发光材料具有发光谱带窄、波长分布区域宽、发射光色纯度高、物理化学性能稳定等优点，因而是近年来探寻新型发光材料的主要研究对象之一。

将稀土元素掺入到易于沉积的固态基体材料中从而制备发光材料与器件，对实现高效固态照明提供了新的思路和方向。目前关于稀土掺杂固态材料的研究主要集中在稀土掺杂硅基半导体材料、Ⅲ-Ⅴ族半导体材料以及氧化物半导体材料等体系。然而，在稀土掺杂固体材料中，其荧光光谱具有明显的淬火效应，即随着温度提高荧光强度会显著减小。实验上发现这种淬火效应会随着基质材料禁带宽度的增加而减弱，而且富氧环境的敏化作用可以极大地增强铒离子的发光，因此具有宽禁带的氧化物半导体材料成为稀土元素掺杂的理想基质材料。此外，掺杂稀土的氧化物半导体材料相较其他两者，在成本、工艺和性能等方面具有明显的优势，受到了科研工作者的广泛关注。稀土元素掺杂氧化物半导体材料在新一代固态光通讯光源和光探测器件等领域展现出了巨大的应用前景。然而，由于稀土离子在薄膜掺杂中存在浓度淬灭和能量背转移等效应的存在，严重限制了其发光效率的提高。因此，如何提高稀土掺杂半导体薄膜中的光学活性是国家未来在光电子材料与器件领域取得制高点的必经途径之一。

在稀土掺杂发光材料的研究中，其中最具代表性的稀土元素之一是铒（Er）元素，这是由于Er³⁺除了在可见波段有绿光发射外，从第一激发态⁴I_13/2向基态⁴I_15/2的跃迁产生的发光位于1.55 μm，该波长处于光纤通信的最低损耗窗口，因而在光通讯光源和光电器件中，Er³⁺离子掺杂氧化物半导体材料将具有广泛的应用前景。

目前实验中制备铒掺杂氧化物半导体材料主要通过离子注入、原子层沉积等工艺，将浓度可控的铒发光中心离子掺杂到氧化物薄膜中。为了提高材料的发光性能，有研究报道可以通过提高氧化物基质材料的晶格无序性来增强发光中心离子在其中的溶解度，从而提高Er³⁺相关的光学特性。但即使如此，发光中心在基质薄膜中的浓度仍需再提高2个数量级以上才能真正满足实际需要。而在无序氧化物半导体薄膜中，如此高的杂质浓度（＞1×10¹⁸ cm^-3）会引起掺杂元素聚集、合金化等浓度淬灭效应，因此单纯依靠提高稀土发光中心浓度的方法很难提高其发光效率。

发明内容